Пассажирская авиация снова переходит на пропеллеры. Каким будет воздушный винт XXI века?

Когда реактивная авиация окончательно завоевала небо, могло показаться, что обычному воздушному винту осталось место лишь на небольших региональных самолётах, лёгкой авиации и вертолётах. Турбореактивные и турбовентиляторные двигатели позволили пассажирским лайнерам приблизиться к скорости звука, а винтовая авиация оказалась вытеснена в относительно узкую нишу.

Однако в XXI веке ситуация неожиданно начала меняться. Рост стоимости топлива, борьба за снижение расхода и ужесточение экологических требований заставили инженеров снова обратить внимание на один из старейших авиационных движителей. Только современный воздушный винт уже мало похож на деревянный пропеллер самолёта братьев Райт. Саблевидные лопасти, открытые вентиляторы, замкнутые Boxprop и даже тороидальные винты постепенно превращают привычный пропеллер в сложнейший аэродинамический механизм.

И вполне возможно, что авиация будущего окажется куда более «винтовой», чем представлялось ещё несколько десятилетий назад.

Концепт коробчатого биротативного винтовентилятора Boxprop

От деревянной доски до сложнейшего аэродинамического механизма

Первые авиационные пропеллеры действительно были сравнительно простыми конструкциями. На заре авиации винт представляли фактически как вращающееся крыло. Братья Райт самостоятельно изготавливали свои пропеллеры из древесины, а эффективность первых подобных устройств была далека от того, что удалось получить позднее.

Главная проблема заключалась в том, что различные части одной лопасти движутся с совершенно разной скоростью. Участок возле ступицы проходит за один оборот сравнительно небольшое расстояние, тогда как законцовка описывает огромную окружность. Следовательно, одинаковая геометрия по всей длине лопасти не могла обеспечить оптимальную работу винта.

Решение этой проблемы стало возможным благодаря развитию аэродинамической теории. Огромную роль сыграли работы Николая Жуковского, Степана Джевецкого, Бориса Юрьева, Георгия Сабинина и других исследователей. Воздушный винт начали рассматривать уже не просто как вращающуюся деталь, а как совокупность множества элементарных аэродинамических профилей.

Отсюда появилась характерная геометрическая крутка лопасти. Возле ступицы угол установки должен быть значительно больше, чем на законцовке. В результате каждый участок лопасти получает возможность работать в более выгодном режиме относительно местного набегающего потока.

Деревянный винт постоянного шага Curtiss OX-5 начала XX века

Когда винт научился менять передачу

Следующим важнейшим шагом стало совершенствование материалов. Дерево было относительно дешёвым и технологичным, однако обладало очевидными недостатками. Влага, температурные перепады, усталость материала и огромные центробежные нагрузки ограничивали возможности дальнейшего увеличения мощности двигателей.

Поэтому авиация постепенно перешла сначала к металлическим, а позднее и к композитным лопастям. Но ещё более важным оказалось появление механизма изменения шага винта.

Ранний пропеллер представлял собой неизменяемый компромисс. Геометрия, выгодная при взлёте, оказывалась далеко не оптимальной в горизонтальном полёте. И наоборот. Возможность поворачивать лопасть вокруг её продольной оси решила эту проблему.

На взлёте устанавливался относительно малый шаг, позволявший двигателю развивать необходимые обороты и мощность. После набора высоты шаг увеличивался, обеспечивая более эффективную работу на высокой скорости. По сути, регулируемый воздушный винт стал выполнять функцию своеобразной авиационной коробки передач.

Винт Hamilton Standard образца 1933 года с механизмом изменения шага.

Главный враг пропеллера — скорость звука

К середине XX века развитие винтовой авиации столкнулось с гораздо более серьёзным ограничением. Мощность поршневых, а затем и турбовинтовых двигателей быстро росла, однако бесконечно увеличивать обороты пропеллера оказалось невозможно.

Причина заключалась в скорости движения законцовок.

Даже если самолёт летит значительно медленнее скорости звука, необходимо учитывать окружную скорость самой лопасти. В результате на внешней части быстро вращающегося винта поток может становиться трансзвуковым, а затем локально и сверхзвуковым. Возникают скачки уплотнения, резко увеличивается сопротивление, падает эффективность и возрастает шум.

Дополнительную опасность создают вибрационные и прочностные нагрузки. Чем быстрее вращается винт и чем больше его диаметр, тем сложнее становится обеспечить необходимую прочность лопастей и ступицы.

Именно здесь классический пропеллер начал приближаться к пределам своих возможностей.

 Соосные саблевидные винты АВ-60К.

Зачем винту понадобились сабли

Одним из способов борьбы с проблемой стало увеличение количества лопастей. Вместо двух- и трёхлопастных винтов появились четырёх-, пяти-, шести-, восьмилопастные и ещё более сложные системы. Большое количество лопастей позволяет перераспределить нагрузку и передать воздуху необходимую мощность при меньшей нагрузке на каждую отдельную поверхность.

Но простое увеличение числа лопастей тоже имеет предел. Каждая из них оставляет за собой возмущённый поток, который воздействует на следующую. Возникают интерференция, шум и вибрации.

Поэтому форма пропеллера начала стремительно усложняться. Появились характерные саблевидные лопасти, хорошо знакомые по современным турбовинтовым самолётам.

Такая геометрия помогает улучшить поведение винта на больших скоростях вращения и уменьшить негативные последствия трансзвукового обтекания. Современная лопасть вообще мало напоминает простой профиль ранней авиации. Она меняет толщину, угол установки, кривизну и стреловидность от ступицы до законцовки.

Подобную конструкцию практически невозможно было бы нормально изготовить из традиционного дерева. Поэтому развитие аэродинамики шло одновременно с развитием металлургии и композитов.

Винтовентилятор СВ-27 самолёта Ан-70.

Ту-114 — вершина классической винтовой эпохи

Одним из наиболее впечатляющих примеров того, насколько далеко удалось продвинуть возможности винтового движителя, стал советский Ту-114. Огромный пассажирский самолёт получил четыре турбовинтовых двигателя НК-12, каждый из которых вращал пару соосных винтов противоположного вращения.

Такое решение позволяло передавать воздуху колоссальную мощность. В результате огромный пассажирский лайнер мог развивать скорость, совершенно нетипичную для большинства винтовых самолётов.

Ту-114 стал одним из самых ярких доказательств того, что между традиционным пропеллером и реактивным двигателем существует довольно широкая технологическая зона. В дальнейшем именно из неё выросли современные винтовентиляторы и открытые роторы.

Подобное направление развивалось и на Западе. Экспериментальные программы, а позднее современные транспортные самолёты вроде C-130J и Airbus A400M продемонстрировали возможности многолопастных винтов сложной геометрии.

Ту-114 с характерными соосными воздушными винтами.

Винтовентилятор: попытка объединить два мира

Главная привлекательность винтового движителя заключается в его высокой пропульсивной эффективности. Вместо того чтобы разгонять относительно небольшую массу воздуха до очень большой скорости, выгоднее захватить огромный объём воздуха и сообщить ему сравнительно небольшое ускорение.

Именно по этому пути десятилетиями развиваются турбовентиляторные двигатели. Их вентиляторы становились всё крупнее, а степень двухконтурности постоянно увеличивалась.

Следующий логичный шаг — убрать внешний корпус вентилятора вообще.

Так появилась идея открытого ротора, или Open Fan. По своей философии такой двигатель занимает промежуточное положение между турбовинтовым и привычным современным турбовентиляторным мотором. Он должен обеспечить экономичность, близкую к винтовым силовым установкам, сохранив скорость полёта современного реактивного авиалайнера.

Проблема известна давно — шум. Взаимодействие мощных воздушных потоков, законцовочных вихрей и нескольких рядов лопастей способно создавать очень серьёзную акустическую нагрузку. Поэтому современный этап развития Open Fan во многом представляет собой борьбу именно за аэродинамику и акустику.

НК-93 — российский путь к винтовентилятору

В СССР подобными схемами также занимались. Одним из самых известных проектов стал НК-93, разработка которого началась ещё в конце советской эпохи.

В отличие от полностью открытых роторов его винтовентилятор находился внутри кольцевого капота. Двигатель выглядел чрезвычайно необычно и рассматривался в качестве перспективной силовой установки для ряда будущих пассажирских и транспортных самолётов, включая проекты семейства Ил-96, Ту-204 и Ту-330.

До серийного производства НК-93 дело не дошло. После распада СССР программа оказалась в совершенно другой экономической и промышленной реальности, а перспективный двигатель так и остался экспериментальной разработкой.

Тем не менее сам НК-93 прекрасно показывает, что поиск промежуточного варианта между классическим винтом и турбовентиляторным двигателем начался далеко не вчера.

Двигатель НК-93:

CFM RISE — возвращение открытого вентилятора

Сегодня одним из наиболее серьёзных проектов этого направления является программа RISE компании CFM International. Её центральным элементом стала перспективная архитектура Open Fan.

Главное отличие от старых открытых роторов заключается не просто в использовании современных материалов. Инженеры пытаются устранить или значительно уменьшить недостатки, которые несколько десятилетий назад мешали распространению подобных двигателей.

В современной конфигурации за вращающимся вентилятором располагается ряд неподвижных направляющих лопаток. Они должны упорядочивать поток и повышать общую эффективность установки. Отсутствие внешнего кольцевого канала позволяет существенно увеличить диаметр вентилятора.

CFM заявляет целью программы RISE примерно 20-процентное повышение эффективности относительно наиболее совершенных современных двигателей. Компания также рассчитывает обеспечить скорость полёта до порядка М=0,8, то есть фактически сохранить привычные характеристики современных узкофюзеляжных авиалайнеров. Предусматривается совместимость с полностью устойчивым авиационным топливом SAF, а в программе исследуются и технологии, связанные с водородом. (CFM International)

Это уже не просто компьютерная картинка. Airbus и CFM готовят лётные испытания демонстратора Open Fan на специально переоборудованном Airbus A380. Задача программы — проверить реальную аэродинамику, акустику, интеграцию огромного открытого вентилятора с самолётом и подтвердить ожидаемый выигрыш в эффективности. (Airbus)

Если испытания окажутся успешными, двигатели следующего поколения пассажирских самолётов внешне могут неожиданно начать напоминать огромные высокотехнологичные пропеллеры.

Демонстратор технологии CFM RISE

Boxprop — пропеллер, у которого нет свободных концов

Но Open Fan — далеко не единственный вариант развития воздушного винта. Ещё более необычную конструкцию предложили специалисты GKN Aerospace и Чалмерсского технологического университета в Швеции.

Проект получил название Boxprop.

Главная его особенность заметна с первого взгляда. У обычного винта каждая лопасть заканчивается свободной законцовкой. Именно здесь формируется мощный концевой вихрь, который представляет собой неизбежное следствие перепада давления между сторонами аэродинамического профиля.

В Boxprop соседние лопасти соединяются своими внешними частями. Получается своеобразная замкнутая конструкция, напоминающая вытянутые петли или коробчатые крылья.

Замысел состоит в том, чтобы изменить структуру концевых вихрей и одновременно получить более жёсткую конструкцию. Исследования GKN Aerospace и Chalmers действительно рассматривают Boxprop как перспективный высокоскоростной винт с соединёнными законцовками лопастей. Проводились как расчётные, так и экспериментальные исследования этой схемы. (research.chalmers.se)

В случае успеха подобное решение потенциально способно решить одну из самых неприятных проблем открытых роторов — сочетание высокой эффективности с чрезмерным шумом.

Варианты коробчатого винтовентилятора Boxprop от Чалмерсского технологического университета.

Тороидальный винт — пропеллер без конца

Ещё необычнее выглядит тороидальный воздушный винт.

В нём лопасть образует замкнутую пространственную петлю: её внешняя часть изгибается и возвращается обратно. В результате исчезает привычная свободная законцовка, являющаяся одним из основных источников вихреобразования и характерного высокочастотного шума небольших винтов.

Особенно интересные результаты подобная конструкция показала на беспилотниках. Специалисты Lincoln Laboratory Массачусетского технологического института разработали тороидальный пропеллер именно как средство уменьшения акустической заметности небольших мультикоптеров. Замкнутая форма ослабляет концевые вихри и одновременно увеличивает жёсткость конструкции. MIT сообщает о существенно меньшем шуме при сопоставимой тяге относительно традиционных винтов.

Для небольшого БПЛА это имеет огромное значение. Характерный высокий писк квадрокоптера появляется задолго до того, как сам аппарат становится хорошо различим визуально. Если изменить акустический спектр и снизить интенсивность этого шума, обнаруживать аппарат на слух становится значительно сложнее.

Тороидальный винт для FPV-дрона

Но между небольшим дроном и пассажирским самолётом существует огромная технологическая дистанция. Увеличение тороидального винта до авиационных размеров приводит к новым проблемам — растёт масса, резко усложняются расчёт конструкции и производство, появляются вопросы прочности и эффективности на высоких скоростях.

Поэтому считать тороидальный винт готовой заменой обычного авиационного пропеллера пока преждевременно.

Тороидальный воздушный винт

TorPropel — проверка идеи большой авиацией

Тем не менее европейские исследователи уже пытаются выяснить, можно ли масштабировать подобную конструкцию.

В феврале 2025 года стартовал европейский исследовательский проект TorPropel — Toroidal Propellers for Efficient and Sustainable Aviation. Его задача значительно шире экспериментов с небольшими коптерами. Исследователи намерены разработать масштабируемые тороидальные воздушные винты из современных углеродных композитов и изучить возможности их автоматизированного производства. Проект рассчитан до января 2028 года.

Рассматриваются самые разные потенциальные носители: беспилотники, электрические самолёты, аппараты вертикального взлёта и посадки и другие перспективные винтовые летательные аппараты.

Причём вопрос заключается уже не только в аэродинамике. Большой тороидальный винт необходимо сделать достаточно лёгким, прочным, ремонтопригодным и технологичным для серийного производства. В TorPropel для этого изучаются современные композитные материалы, роботизированные технологии изготовления и даже встроенные системы контроля состояния конструкции.

То есть странный закольцованный пропеллер постепенно выходит за пределы красивого лабораторного эксперимента.

Эскизы TorPropel

Вернётся ли пропеллер на пассажирские лайнеры?

История авиации в определённом смысле движется по спирали. Сто лет назад конструкторы пытались получить максимум тяги от деревянного двухлопастного винта. Затем появились металлические регулируемые пропеллеры, соосные схемы, многолопастные саблевидные винты и винтовентиляторы. Реактивный двигатель казался окончательным победителем.

Теперь инженеры снова возвращаются к идее огромного винта — только на совершенно ином технологическом уровне.

Причина проста. Современный авиалайнер уже нельзя радикально улучшить лишь за счёт очередного небольшого повышения температуры газа перед турбиной или совершенствования компрессора. За каждый следующий процент экономичности приходится бороться всё сложнее.

Поэтому снова становится привлекательной фундаментальная идея винтового движителя: воздействовать на максимально большую массу воздуха, сообщая ей относительно небольшое ускорение.

Отсюда и гигантские вентиляторы современных турбореактивных двухконтурных двигателей, и Open Fan, и эксперименты с Boxprop, и тороидальные винты.

Какая именно конструкция победит, пока неизвестно. Возможно, пассажирская авиация будущего получит огромные открытые вентиляторы. Возможно, инженеры решат проблему шумности традиционных схем другим способом. А Boxprop и тороидальные конструкции вполне могут остаться преимущественно уделом беспилотной и малой авиации.

Но одно уже очевидно: воздушный винт вовсе не является технологическим пережитком XX века. Напротив, один из старейших авиационных движителей переживает очередной этап эволюции.

И если сто лет назад главным достижением считался винт изменяемого шага, то пропеллер XXI века может оказаться композитной замкнутой конструкцией сложнейшей пространственной формы, рассчитанной суперкомпьютером и работающей на скоростях, которые когда-то считались территорией исключительно реактивной авиации.

Источники:

https://topwar.ru/289544-vozdushnyj-vint-xxi-veka.html

https://cordis.europa.eu/project/id/101187800

https://www.ll.mit.edu/partner-us/available-technologies/toroidal-propeller-0

https://research.chalmers.se/en/publication/208320буду