Двигатель "АЛ-51-Ф1" - будущее авиации пятого поколения

На разработку современного турбореактивного двигателя с нуля требуется без малого 30 лет, даже с учётом современных технологий. Это одна из самых высокотехнологических областей науки и техники, где все известные материалы находятся буквально на границе своих характеристик, а некоторые детали (например, лопатки турбин) работают за пределами максимальных характеристик, физически заложенных в материалах, и не разрушаются только потому, что работают как комплекс единой интегрированной системы.

После завершения строительства МБИР (многоцелевой быстрый исследовательский реактор) Россия станет единственной страной в мире, обладающей полным комплексом разнообразных источников нейтронов для передовых научных исследований, заявил вице-президент Российской Академии Наук декан химического факультета МГУ имени Ломоносова академик Степан Калмыков. Строительство началось в 2015 году, ввод реактора в эксплуатацию намечен на 2028 год.

Подбор и разработка материалов для современных турбореактивных двигателей определяется развитием материаловедения, которое зависит в том числе от исследовательских нейтронных реакторов, где тестируются новые материалы и определяются их свойства под действием нейтронного облучения.

Ни один суперкомпьютер, ни одна программа симуляции - неспособны летально просчитать разные физические параметры и сценарии работы двигателя. Всё определяется научными и натурными экспериментами.

Если страна имеет достаточно компетенций в различных областях науки и техники, в том числе ядерной, то она может создать современный турбореактивный двигатель для нового поколения истребителей, бомбардировщиков и беспилотных дронов.

Поэтому совершенно не удивительно, что у высокотехнологичной Японии, имеющей доступ ко всем американским экспортным технологиям, включая стоящие на F-15 и F-16 двигатели, разработка своего аналога - двигателя "XF5" заняла 13 лет и завершилась только в 2008 году.

Однако ресурс данного двигателя оставлял желать лучшего, и не мог конкурировать с американскими аналогами 1980-х годов разработки.

С тех пор Япония ведёт программу создания двигателя нового поколения, который будет сопоставим по тяге с двигателем "Pratt & Whitney F119", установленным на F-22.

Прототип двигателя XF9-1 в сборочном цеху

Из-за отсутствия нужного двигателя Япония отказалась от разработки истребителя пятого поколения "Mitsubishi X-2 Shinshin", ограничившись постройкой летающей лаборатории для отработки новых технологий. Причём, самолёт даже не отлетал запланированные испытания, ограничившись 34 вылетами из первоначально запланированных 50.

9 декабря 2022 года правительства Японии, Великобритании и Италии объявили о том, что начинают совместную разработку истребителя шестого поколения по программе "Mitsubishi F-X", первый полёт которого запланирован на 2028 год.

К этому времени двигатель "XF9-1" должен быть полностью разработан и должен пройти натурные испытания, а с 2031 года - пойти в серийное производство.

◉При этом указывается, что "XF9-1" будет обеспечивать на 30% большую тягу на единицу площади поперечного сечения по сравнению с "General Electric F110", разработка которого была завершена американцами в 1980 году.

Новый истребитель должен прийти на смену "Mitsubishi F-2", являющегося копией F-16. А как же тогда F-35, который по планам должен был заменить "Mitsubishi F-2" и при этом эксплуатироваться до 2070 года?

Тот же самый путь проделывает сейчас Китай, который, основываясь на разработках Советского Союза и России (двигатели серии Д-30, Р79-300, АЛ-31Ф и АЛ-41Ф1С), создаёт свой аналог в виде "WS-15", разработка которого началась в 1990 году.

Согласно последним новостям, "WS-15" прошёл все испытания и готов к серийному производству, однако возникли проблемы с цепочкой поставок передовых сплавов, что указывает на высокую зависимость двигателя от западных комплектующих.

В итоге разработка двигателя у Китая заняла 33 года, даже с учётом наличия проданной в 1990-е годы полной технической документации на наши Д-30, а также доступа к полной разборке модификаций АЛ-31Ф.

Двигатель "WS-15" будет устанавливаться на китайский истребитель пятого поколения "J-20A"

Да, пока ещё "WS-15" серийно не производится, но, как уверяют китайские специалисты, все проблемы с двигателем успешно преодолены, поэтому, как только наладятся поставки комплектующих, двигатель запустят в серию.

Но зачем тогда Китай начал серийное производство своих J-20 без самой важной составляющей - двигателя? А вот так! Старенький, но надёжный советский АЛ-31, а точнее его модификация - "АЛ-31ФН", спроектированный в 1994 году под запрос китайцев - позволил достигнуть самолёту "J-20" минимально необходимых ТТХ для запуска в серию в 2017 году.

С 2021 года, на "J-20", начали устанавливать китайские двигатели четвёртого поколения "WS-10C", разработка которых заняла 30 лет, и основой для него выступил "АЛ-31".

И опять - 30 лет, чтобы создать свой аналог.

Легендарный теперь уже двигатель пятого поколения "F119-PW-100", разработка которого началась в 1983 году на базе своего предшественника - "F100", начал серийно выпускаться в 1997 году - спустя 14 лет разработки. А окончательное добро на эксплуатацию "F119-PW-100" получил только в 2005 году, после того как двигатель полностью отладили.

"F119-PW-100" с плоским соплом

Примечательно, что двигатель "F119-PW-100", как и сам F-22, законодательно запрещён к экспорту ради сохранения секретных технологий.

Всё потому, что создание подобных двигателей является фактически вершиной эволюции современных воздушно-реактивных двигателей.

Следующий качественный рывок в реактивной авиации возможен только с использованием технологии прямоточного импульсного детонационного двигателя, разработка которого сопряжена с целом рядом фундаментальных сложностей.

У серийном Су-57 установлены двигатели АЛ-41Ф1 (Изделие 117), являющиеся глубоко модернизированным вариантом двигателя АЛ-31ФП. Тяга двигателя в бесфорсажном варианте составляла 8800 килограмм-силы, тяга на форсаже - 15000 кгс.

Модификация этого двигателя АЛ-41Ф-1С, устанавливается на Су-35С, тяга на форсаже 14500 кгс.

◉АЛ-41Ф1 начали разрабатывать в 2004 году, в 2008 году в серию запущен АЛ-41Ф-1С, а с 2010 года начато производство АЛ-41Ф1.

Двигатели АЛ-31ФП и АЛ-41Ф-1С (слева направо)

С этими двигателями Су-57 отвечает всем характеристикам истребителя пятого поколения, включая сверхзвуковой полёт без использования форсажа.

Однако в 2011 году было принято решение о начале разработки нового двигателя (Изделие 30), разработка которого должна занять 10-12 лет, а двигатель АЛ-41Ф-1, стал лишь переходным этапом к новому двигателю.

Новый двигатель должен при прежних массогабаритных параметрах обеспечивать бесфорсажную тягу в 11000 кгс и тягу на форсаже в 18000 кгс, и быть при этом экономичнее, чем его предшественники.

◉Разработка нового двигателя стала необходимостью из-за новых требований как к пилотируемой, так и беспилотной авиации, а также из-за применения плоских сопел.

Евгений Марчуков, генеральный конструктор-директор ОКБ им. А. Люльки, недавно приоткрыл тайну создания "Изделия 30": двигатель создаётся с серьёзным требованием на незаметность как в радиолокационном диапазоне, так и в инфракрасном. Именно для достижения этих параметров разрабатывается плоское сопло для нового двигателя.

Наибольшего успеха в конструктиве плоских сопел добились американцы, начав разработки ещё в 1970-х.

Экспериментальный NF-15B с плоскими соплами на базе F-15 - в полёте. 1988 год

Плоские сопла в разы снижали заметность самолёта практически во всех диапазонах наблюдения, и особенно - в инфракрасном. Однако при этом терялась тяга двигателей по сравнению с применением сопла круглого сечения.

Потеря тяги на различных режимах составляла от 5 до 30%, поэтому не нашла тогда массового применения в сверхзвуковой авиации 4 поколения.

В СССР тоже работали над плоским соплом, испытывая его на модифицированном истребителе Су-27ЛЛ-ПС.

Краткая справка

Однако развал Союза не позволил доработать технологию плоского сопла, которая на момент испытаний сильно выбивалась из массогабаритных характеристик.

Су-27ЛЛ-ПС: испытательный полёт с плоским соплом

Плоское сопло

Ранний прототип истребителя Су-47 "Беркут" тоже разрабатывался с плоскими соплами

В итоге разработку управляемого вектора тяги воплотили в сопле круглого сечения, в том числе во всеракурсном исполнении.

Все последующие самолёты, разработанные по технологии "СТЕЛС", имели плоские сопла (дозвуковые F-117 и B-2, а также сверхзвуковые прототипы истребителей пятого поколения YF-22 и YF-23).

YF-22 (на переднем плане) и YF-23 (на заднем плане). Победителем в конкурсе на создание истребителя пятого поколения стал YF-22, на базе которого был разработан F-22.

Плоские сопла F-22

Однако применение плоского сопла требует более мощного двигателя, потому что истребителю с плоскими соплами выходить на аналогичные режимы сложнее, чем с традиционными соплами, и это при том, что плоские сопла обеспечивают лучшую аэродинамику летающему аппарату.

Показательный пример - это малозаметный тяжёлый тактический беспилотник С-70 "Охотник", первый лётный экземпляр которого был с круглым соплом, а второй - уже с плоским.

С-70 «Охотник» — российский тяжёлый ударный БПЛА. Максимальная взлётная масса - 25 тонн. Дальность полёта - до 6000 км.

Серийный "С-70", который начнёт поступать в войска с 2024 года - уже с плоским соплом

Характеристики "Охотника" засекречены, но предполагается, что его полёт будет происходить на околозвуковой скорости, либо сверхзвуковой. Известно, что в двигателе "Охотника" отсутствует форсажная камера. Следовательно, выход на сверхзвук достигается в бесфорсажном режиме, а применение плоского сопла только уменьшит тягу двигателя.

◉Известно, что специально для С-70 разработан новый вариант двигателя АЛ-41Ф1 — «изделие 117БД».

Ни один зарубежный аналог подобного БПЛА даже близко не достигает околозвуковой скорости в бесфорсажном режиме при применении двигателя четвёртого поколения

Многострадальный "X-47B", используя двигатель "Pratt & Whitney F100-220", достиг максимальной скорости в 990 км/час, а максимальная дальность полёта была 3900 км. Максимальная взлётная масса беспилотника - 20 185 кг.

Программа по X-47B была полностью закрыта в 2019 году из-за нерешённых технических проблем. Проект спасали, как могли. Так, в феврале 2016 года военно-морской флот США решил перепрофилировать X-47B из тактического ударного беспилотника в разведчик с "ограниченными ударными возможностями".

Размеры С-70 и X-47В

Однако в таком исполнении проект оказался слишком дорогим, поэтому в итоге на вооружение в 2019 году был принят более консервативный разведчик "Northrop Grumman RQ-180" схожей компоновки.

Получается, что российские конструкторы опередили американских коллег, и поставили на крыло первый в мире тяжёлый тактический ударный беспилотник.

Судя по всему, и для С-70 должен быть предусмотрен двигатель второго этапа, максимально унифицированный с двигателем Су-57. Дело в том, что С-70 является ведомым беспилотником Су-57, так как С-70 «Охотник» и Су-57 будут интегрированы в единый ударный комплекс.

Первые испытания "Изделие 30" в сборе завершились в 2016 году, а первый полёт Су-57 с новым двигателем состоялся 5 декабря 2017 года, а в 2023 году завершилась основная часть его лётных испытаний, в ходе которых двигатель подтвердил свои характеристики, в том числе по экономии топлива.

Завершение полного цикла лётных испытаний, и отладки двигателя требует ещё 1,5-2 года, а начало производства серийных истребителей Су-57 с двигателями пятого поколения ожидается до 2025, в крайнем случаи до 2027 года.

Двигатель получил название АЛ-51-Ф1. Фото из презентации о перспективных российских двигателях для боевых самолётов.

АЛ-51-Ф1 станет первым двигателем пятого поколения, который совершит отрыв от четвёртого поколения двигателей не только по мощности и удельному расходу топлива, но и по удельной тяговооружённости (свыше 11:1).

◉Для сравнения: двигатель F-22 "F119-PW-100" имеет тяговооружённость 8,96:1

◉Двигатель Су-57 первого этапа АЛ-41Ф1 имеет тяговооружённость в 9,35:1

Двигатели четвёртого поколения родом из 1980-х имели удельную тягу до 8:1.

В настоящее время удельную тягу больше 11:1 предположительно имеет двигатель истребителя F-35 "Pratt & Whitney F135", разработанный на основе "F119-PW-100".

"Предположительно" - потому что на официальном сайте в 2015 году были опубликованы характеристики двигателя, в том числе его сухая масса, составляющая 2450 кг. Однако сегодня на официальном сайте больше нет информации о массе двигателя, указана лишь его тяга.
Однако любому разбирающемуся специалисту понятно, что F135 значительно крупнее F119, и имеет коэффициент байпаса в два раза больше, чем у F119 (что означает гораздо большие вентиляторы и внешний канал, плюс дополнительную ступень LPT для привода вентиляторов большего размера), и ни в какой вселенной F135 не будет весить столько же, сколько F119.

Сегодняшнее техническое описание двигателя с официального сайта "Pratt & Whitney". Указание веса куда то пропало, как и другие характеристики...

              А для модификаций "F100" - вес указан

Однако, если мы возьмём ранее опубликованные показатели сухого веса в 2450 кг, то удельная тяговооружённость будет равна 19500 кгс/2450 кг = 7,96:1, что меньше, чем даже у АЛ-31Ф, тяговооружённость которого 8,17:1, но выше предшественника модификации F100-PW-220, тяговооружённость которого равна 7,58:1.

По этой причине Пентагон решил подстраховаться, и объединённый консорциум американской компании "General Electric" и британской компании "Rolls-Royce" преступил к разработке F136 - альтернативы существующему двигателю.

И опять-таки, сухая масса F136 больше двух тонн, при этом он должен был стать более экономичным и менее капризным в эксплуатации.

Однако в 2012 году, после непродолжительных испытаний и готовности двигателя на 80%, программа была свернута как не перспективная, ибо прототип двигателя никак не превосходил в характеристиках базовый F135.

В том же 2012 году была начата разработка ещё одной альтернативы - двигателя "General Electric XA100" для F-35. Главная цель - снижение расхода топлива на 25% при сохранении прежней и даже большей тяговооружённости.

На сайте производителя без какой-либо скромности так и указано: XA100 - единственный двигатель, который может выполнить требования военных.

Имея повышенную топливную экономичность, "General Electric XA100" должен был стать истинным двигателем пятого поколения, который мог устанавливаться не только на F-35, но и на модернизированные F-22 и другие истребители, в том числе и четвёртого поколения (F-16, F-15) и БПЛА, а то сверхвысокотехнологичный "X-47B" или новейший "RQ-180" вынуждены летать на 50-летнем F100 в спецаильно созданной для этих беспилотников модификации "F100-PW-220U".

Всё потому, что если поставить на них F119 (или ещё хуже - F135), то топливо у БПЛА "закончится ещё на взлёте".

После первых испытаний в 2020 году у Пентагона возникли сомнения, что "XA100" сможет работать на всех модификациях F-35. Тогда подробностей о стендовых испытаниях силовой установки не раскрыли. Компания приступила к сборке второго экземпляра, испытания которого завершились в августе 2023 года. Однако результаты, видимо, не удовлетворили Пентагон, потому что от XA100, который должен был стать самым мощным и долговечным боевым двигателем из когда-либо созданных в США, решено было отказаться...

Конгресс США: "ВВС не будут разрабатывать новый двигатель для F-35". Одной из причин отказа указывается дороговизна дальнейшего финансирования, что может угрожать уменьшением средств на программу разработки истребителя 6 поколения.

Вместо этого усилия будут сосредоточены на модернизации двигателя "F135" до приемлемого для военных уровня.

Пентагон никак не может смириться, что дальность полёта F-22 с его двумя могучими F119 без подвесных топливных баков составляет всего 1520 км, что сильно ограничивает его боевой радиус до 760 км. Дальность полёта F-35 - от 1670 до 2220 км в зависимости от модификаций.

При этом F-22 может развивать 1,6 Маха без использования форсажа, а вот для F-35 это вообще максимальная скорость полёта с использованием форсажа.

F-35 не может развивать бесфорсажный сверхзвук.

Су-57 обладает практической дальностью до 4300 км, а у J-20A максимальная дальность полёта составляет 3000-3500 км без подвесных топливных баков.

Во время недавнего сопровождения Борта № 1 звено истребителей Су-35С (двигатели АЛ-41Ф1С) с полным комплектом вооружения и без подвесных топливных баков пролетело более 3500 км.

В итоге АЛ-51-Ф1 станет первым универсальным двигателем пятого поколения, который способен одинаково эффективно работать на разных режимах, что сулит ему шикарное применение в различных типах самолетов и БПЛА.

На АЛ-51-Ф1 будут летать Су-57 и Су-75 Checkmate, а в бесфорсажной модификации - ударные беспилотники, такие как С-70 "Охотник".

Су-75 Checkmate

Помимо этого, будут применяться и плоские сопла, испытания которых сегодня проводится в Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н. Е. Жуковского.

Плоское сопло-демонстратор, испытания которого проводятся в ЦАГИ им. профессора Н. Е. Жуковского и в Институте теоретической и прикладной электродинамики Российской Академии Наук.

Согласно информации из РАН, плоскому соплу - быть

Однако даже АЛ-51-Ф1 не может заменить всё, поэтому для стратегического бомбардировщика нового поколения, разрабатываемого ПАО «Туполев», будут использованы двигатели нового поколения, разработанные на базе НК-32, а разрабатываемый сегодня истребитель-перехватчик шестого поколения - МиГ-41 - будет оснащён совершенно другим типом двигателя - прямоточным детонационным двигателем, испытания которого уже проводятся.

 По проекту МиГ-41 должен быть гиперзвуковым и развивать от 4 до 6 Маха

Россия первой в мире заявила о проведении испытаний подобного двигателя. И немудрено, так как мы первыми в мире разработали и поставили на вооружение целую номенклатуру гиперзвукового оружия: "Кинжал", "Авангард", "Циркон".

Гиперзвуковое оружие, принятое на вооружение России

США и Китай пока сильно отстают. Настолько сильно, что США официально объявили программу по шпионажу в области гиперзвуковых технологий.

И, к сожалению, она работает. Так ФСБ уже в 2021 году задержала гендиректора и главного конструктора «Научно-исследовательского предприятия гиперзвуковых систем» Александра Куранова. Его подозревают в государственной измене. Он передал информацию на Запад по советскому и ныне российскому проекту гиперзвуковых самолётов "Аякс", а именно - концепцию магнитоплазмохимического двигателя (МПХД).

Но, к слову, МПХД - это теоретическая концепция, как, например, термоядерная энергетика, но раз за разглашение этой информации в западном научном журнале уже приходят ФСБ, значит в России её начали воплощать...

И если так, то уже при нашей жизни появятся транспортные и пассажирские самолёты, летающие со скоростью 16500 км/ч в мезосфере.

Новость от 4 ноября 2023 года. Ну, посмотрим-посмотрим....

Вы спросите, почему так долго идёт разработка? Если двигатель поступит в серию, скажем, не в 2025, а в 2027 году, то разработка займёт 16 лет.

Да, действительно, это довольно продолжительный срок, но и двигатель к F-22 разрабатывался без малого 14 лет.

Я называю двигатель "АЛ-51-Ф1" истинным пятым поколением потому, что он будет первым в своём роде двигателем, работающим в крейсерском режиме на сверхзвуковой скорости.

И тут есть большая путаница. Полёт на сверхзвуке без форсажа и полёт в крейсерском режиме на сверхзвуке.

◉Так вот, F-22, как известно, летает на сверхзвуке без использования форсажа, но его крейсерская скорость - дозвуковая, и составляет 850 км/ч (0,7 Маха).

То же самое сегодня актуально и для Су-57 или J-20A, у которых крейсерская скорость - дозвуковая.

Бесфорсажный сверхзвук обеспечивает истребителю большую скрытность в инфракрасном диапазоне, а также обеспечивает больший ресурс двигателя при данном режиме работы.

Сверхзвуковой полёт, пусть и без форсажа, уменьшает практическую дальность больше чем в 2 раза. Так вот, АЛ-51-Ф1 будет первым двигателем в мире, обеспечивающим истинный крейсерский сверхзвуковой полёт.

Если бы не это требование, АЛ-51-Ф1 уже давно бы начал производиться, так как был готов ещё в 2020 году, но подобные требования к характеристикам требуют совершенно новых технических решений, которые ещё никто не делал. Как только будет создан такой двигатель, истребители пятого поколения выйдут уже на недосягаемый для истребителей четвёртого поколения уровень.

И это прекрасно понимают и в США, и в Китае.

В Китае, например, произвели более 150 бортов J-20A, а в 2024 году их количество превзойдёт количество F-22. При этом для них до сих пор не запущен в серию двигатель "WS-15", который позиционируется как аналог американского "F135".

Производство истребителя пятого поколения J-20A и истребителей четвёртого поколения J-10C и J-16

В США же, вместо F-35 решили закупить модернизированные истребитель четвёртого поколения F-15EX. Более подробно я писал об этом ранее.

Как видим, пока пятое поколение истребителей неспособно надёжно заменить четвёртое - у них просто нет такого преимущества перед истребителями четвёртого поколения, какое было у истребителей четвёртого поколения перед третьем поколением.

Определенно, Су-57 с двигателем АЛ-51-Ф1 станет первым в своём роде истинным истребителем пятого поколения, который сможет надёжно заменить все существующие истребители четвёртого поколения.

В преддверии международного военно-технического форума "Армия-2023" заместитель гендиректора госкорпорации "Ростех" Владимир Артяков заявил: "Уже в рамках действующего серийного контракта планируется поставка Су-57 с новым двигателем".

Первые серийные поставки Су-57 с двигателем АЛ-41Ф-1 начались в 2022 году. По состоянию на начало 2023 года передано 6 самолётов, к концу 2024 года передадут ещё 22 истребителя, а к 2028 году их число в войсках будет доведено до 76.

Двигатель "АЛ-51-Ф1" - будущее авиации пятого поколения.

С другой стороны, японцев и "компанию" абсолютно не смущает, что их истребитель шестого поколения "Mitsubishi F-X" будет летать на аналогах двигателя истребителя F-22.

Каждому своё, как говорится...

a_k