Turboreactoarele avioanelor de lupta (V)

Cele vestice vs cele rusesti

PROIECTARE, DEZVOLTARE, FIABILITATE

Proiectarea, dezvoltarea, fabricarea, operarea si intretinerea motoarelor turboreactoare sunt activitati complexe ce necesita eforturi si resurse uriase pe care si le pot permite un numar redus de tari.

Proiectarea unui motor performant si fiabil necesita integrarea cunostintelor din mai multe discpline : aerodinamica, termodinamica, mecanica fluidelor, rezistenta materialelor, metalurgie, materiale compozite, automatica, combustibili, teoria arderii, etc.

Un program pentru introducera unui nou motor turboreactor pentru avioane de lupta , datorita complexitatii activitatilor se intinde pe o perioada de 8-15 ani si costa cateva miliarde de dolari. Turboreactoarele avioanelor de lupta sunt dezvoltate conform cerintelor impuse de fortele aeriene prin caiete de sarcini.

Sunt doua tipuri de motoare : cele noi, proiectate de la zero si cele derivate din motoare existente. Motoarele noi sunt extrem de putine si sunt destinate de obicei unei noi generatii de avioane.

Statele Unite

In figura 1 este prezentata schema de management a dezvoltarii unui motor pentru departamentul apararii SUA.

In continuare sunt prezentate cateva evolutii in dezvoltarea motoarelor pentru avioanele de generatiile 4 si 5.

 

In 1967 US Navy si USAF au lansat o cerere de oferta pentru motoare necesare echiparii avioanlor F 14, F 15, F 16. Programul a fost denumit ATEGG (Advanced Turbine Engine Gas Generator). Cerinta principala a beneficiarilor a fost realizarea unui motor cu tractiune de cel putin 60 kN si cu un raport tractiune / greutate cat mai bun.

A fost ales motorul PW (Pratt&Whitney) F 100-100, care a fost proiectat si realizat in 4 ani, efectuand primul zbor in 1972. Programul de dezvoltare prevedea realizarea unui motor pentru testare, fiind acceptat in urma parcurgerii unui program de 150 ore de zbor. In principal se urmarea realizarea performantelor si mai putin aspectele de fiabilitate. Motorul era inovator, foarte puternic, cel mai avansat pentru acea perioada, dar a inceput sa prezinte probleme de fiabilitate. La unghiuri mari de atac, aparea fenomenul de pompaj al compresorului, iar la actionarea postcombustiei de multe ori exista o ardere necontrolata, cauzand crestera temperaturii in turbina si deteriorarea acesteia. Cel mai grav aspect l-a constituit resursa intre reparatii TBO (Time before overhaul), care se pare era de doar 100 ore.

US Navy  a renuntat la achizitie, iar USAF a avut dispute cu PW. Acestia au rezolvat o parte din probleme in varianta F100-PW-200 care a inceput sa echipeze F 16.  USAF, tot nemultumiti, au introdus incepand cu 1984 programul Alternative Fighter Engine (AFE), folosind ca parghie, sistemul sfant al concurentei. GE a livrat motorul F 110 pentru F 16 C/D Block 30/32, iar, sub presiune, PW a rezolvat restul de probleme, varianta F 100-PW-220, fiind introdusa din 1986 pe F 15 si F 16. Au urmat F 100-PW-229 in 1989 si F-100-PW-229EEP livrat din 2009.
Un motor nou, F 100 – proiectat in 1970, a fost dezvoltat continuu in variante derivate, fiind produse 7200 motoare ce au acumulat 24 milioane ore de zbor. Este in final considerat unul din cele mai fiabile motoare. Varianta 229EEP ajunge la un TBO de 6000 cicli de  zbor ( echivalentul a 2200 ore de zbor) sau 10 ani.
In paralel GE, pornind de la motorul nou F 101,  ce a fost realizat pentru bombardierul B1 in 1970, a dezvoltat variantele lui F 110, ce echipeaza o parte din F 15 si F 16, fiind montat in trecut si pe F 14.

Alt motor produs de GE F 404  doteaza F 18, fiind  derivat din YJ 101, proiectat pentru prototipul YF 17 care nu a mai intrat in fabricatie.
Practic toate avioanele de generatia a 4-a americane, zboara cu derivate a trei motoare proiectate in 1970, dar imbunatatite permanent.
Cum s-au derulat aceste programe ?

In primul rand s-au schimbat treptat cerintele beneficiarilor prin caietele de sarcini si s-au introdus : un echilibru intre performante si fiabilitate, criterii de alegere materiale, teste anduranta extinse, rezistenta la ingerare corpuri straine, testarea limitelor, testarea deteriorarilor , etc

Orice proiect trece prin 4 etape consecutive  de aprobare de catre beneficiar: studiile despre concept, demonstrarea conceptului prin definirea proiectului si estimarea riscului in detaliu pentru fiecare subsistem  (etape care dureaza 3-5 ani), dupa care se trece la proiectarea in detaliu, realizarea si testarea prototipurilor in paralel cu verificarea proceselor de fabricatie si in final inceperea productiei (circa 5-7 ani).

O alta transformare majora a fost imbunatatirea continua a programelor de proiectare, realizandu-se inclusiv o estimare cu acuratete mare a viitoarelor carcteristici si performante,

Evolutia tehnologica a motoarelor 

Testarea motoarelor se facea in anii ’70 in 150 ore de zbor ale unui prototip, nefiind pus accentul pe fiabilitate, eventualele probleme urmand sa fie rezolvate iterativ, pe baza experientei in exploatare. S-a dovedit ca odata cu crestera spectaculoasa a performantelor de tractiune, scade fiabilitatea datorita solicitarii mai mari a pieselor, in special datorita temperaturilor mai ridicate.

Treptat au fost introduse proceduri noi, pentru o verificare mult mai amanuntita a turboreactoarelor.

Chiar daca peogramele de simulare a curgerii gazodinamice in motor, proiectarea in CAD/CAM si folosirea calculului de rezistenta cu element finit au crescut predictibilitatea comportarii motorului, sunt necesare teste riguroase de verificare practica a estimarilor teoretice.

De exemplu, pentru un nou tip de motor se folosesc cel putin 12 motoare care sunt testate pe 5 bancuri de proba circa 10 000 ore de functionare in diverse tipuri de teste. Patru din aceste motoare sunt destinate testelor de anduranta. Suplimentar, cateva motoare sunt folosite in testele in zbor.

 Motorul F119 produs de PW, este turboreactorul cel mai performant aflat in exploatare, echipand avioanele F 22. A fost dezvoltat la inceputul anilor ’80 si a devenit operational in 2005. Prin dezvoltarea acestui nou motor, s-au construit motoarele din gama F 135, care echipeaza avioanele F 35.

In prezent exista derularea USAF programul ADVENT, pentru urmatorul motor ce va echipa generatia a 6-a de avioane de lupta, un turboreactor cu ciclu variabil.

 

Europa

In Europa se produce motorul EJ 200 ce doteaza Eurofighter de catre un consortiu format din RR (UK), MTU (Germania), Avio (Italia) si ITP 9 Spania si UK). Proiectul a inceput initial in 1984 in UK si motoarele au intrat in exploatare in 2003.

Franta produce motorul M88-2 care echipeaza Rafale, program inceput in 1983.

 

Rusia

In Rusia exista doua familii de motoare ce echipeaza avioanele de generatia a 4-a , MIG 29 si SU 27  si  variantele lor ulterioare.

RD 33 a fost proiectat de Klimov incepand cu 1968 si a intrat in productie in 1981, fiind ulterior dezvoltat in RD 33 seria 3, RD 93MK.

AL 31 a fost proiectat de Lyulka (acum Saturn) si a intrat in exploatare incepand cu 1981, avand variante modernizate. AL31F3. FP,FN.FM1,FM2,FU, AL41F1S si AL41F1( PAK FA T-50).

Desi sunt motoare performante, una din probleme lor o constituie lipsa de fiabilitate si necesitatea efectuarii la intervale scurte a reparatiilor.

La toate motoarele, reparatiile sunt de fapt reparatii capitale, efectuate intr-o fabrica specializata si care presupun demontarea completa, inspectia, schimbarea componentelor cu viata limitata, montaj si testare.

Comparatie intre RD 33 (MIG 29) si F 100-229 (F 16)

RD 33 are resursa totala 1500 ore si TBO 400 ore, pe cand F 100-229 are TBO 1700 ore  cu resursa totala 6000 ore.

Pentru o perioada de exploatare de 12 ani, in care se zboara in total 1700 ore, motorul american nu va intra in reparatie, iar cel rusesc va avea nevoie de 3 reparatii si va trebui inlocuit de unul nou care va avea si el nevoie de o reparatie.

Comparatie F 16 vs Mig 29

Intr-o perioada de exploatare de 30 ani, un MIG 29 are nevoie de 3 randuri de motoare noi si un numar de 18 reparatii ale lor, pe cand motorul de pe F 16 are nevoie de o singura reparatie.

Datele de mai sus sunt calculate de polonezi, care opereaza ambele aparate, pe baza experientei acumulate. Costurile sunt pe masura, tinand cont ca numai o reparatie pentru RD 33 costa 650 000 $.

De ce au resursa mai mica motoarele rusesti ?

Sunt mai multe cauze, dintre care :

-in  doctrina de aparare sovietica, avioanele de lupta trebuiau sa zboare deasupra propriului teritoriu, sa fie ieftine, performante si usor de exploatat. In acest sens, motoarele trebuiau reparate numai in fabrici, cei din exploatare fiind in general putin instruiti. asigurandu-se permanent un numar mare de motoare de rezerva disponibile. Oricum costurile nu prea contau si toata lumea avea de lucru. Proiectantii urmareau performantele maxime, sacrificand fiabilitatea, acestea fiind oricum cerintele beneficiarului. Sistemul nu deranja pe nimeni.

– in plus, determinarea TBO are un aspect tehnic si un aspect administrativ. Cel din urma tine cont de nivelul tehnic al personalului din exploatare, cat si de interesele economice ale furnizorului, care este interesat sa faca cat mai des reparatii.

Un bun exemplu este faptul ca nemtii, printr-o intretinere corecta a motoarelor de pe MIG 29 din dotare, au reusit sa creasca TBO de la 350 la 700 ore. Se pare ca la variantele mai noi RD 33 si AL 31, a fost crescuta viata totala spre 4000 ore si TBO a ajuns  intre 750 si 1200 ore. Oricum rusii au inceput foarte tarziu aceste actiuni de imbunatatiri, care dureaza si foarte mult de pus in aplicare.

– sistemul cu intreprinderi de stat, fara concurenta nu este performant

– calitatea subfurnizorilor este greu de gestionat intr-o economie aflata intr-o stare precara

– ramanere in urma fata de noile tehnologii, mai ales in domeniul si tehnologia materialelor rezistente la temperaturi mari

– lipsa unui sistem eficient de exploatare a motoarelor, inclusiv scolarizare si formare a personalului, piese de schimb, logistica

– prin faptul ca rusii  produc putine motoare pentru avioane civile, si acelea de calitate slaba, nu beneficiaza de transfer de know how sau din cercetarea facuta pentru acestea

Prin comparatie si americanii au avut probleme de acest gen, dar sistemul lor le-a rezolvat rapid, inclusiv prin actiunile militarilor, care au stiut exact ce sa ceara furnizorilor si s-au implicat in toate etapele dezvoltarii. Americanii au trebuit sa introduca concurenta intre furnizori pentru a avea calitate, competitia intre PW si GE pentru motoarele F15, F16, fiind denumita Marele Razboi al Motoarelor.

In plus, puternica industrie americana, in colaborare stransa cu englezii de la RR si canadienii, produce motoare civile si nu in ultimul rand, beneficiaza de afluxul de cercetatori si ingineri din toata lumea care emigreaza in SUA. Finantarea puternica a cercetarii, permite un progres continuu in domeniu.

Motoarele americane sunt construite din module care pot fi reparate sau inlocuite in exploatare de tehnicieni ai beneficiarilor bine pregatiti, nefiind necesare trimiteri dese la furnizor.

Daca americanii au produs motoare de noua generatie pentru F 22 si F 35 si acum lucreaza la motoarele pentru avioanele de generatia 6, rusii inca lucreaza la derivatele motoarelor de generatia a 4a.

Pana la urma, de fapt se vad diferentele intre doua moduri de organizare a societatii.

Proiectarea si dezvoltarea turboreactoarelor pentru avioane de lupta  se dovedesc a fi dificile, intinse pe perioade mari de timp si fiind mari consumatoare de resurse umane si materiale. Numarul de tari care isi permite asa ceva este foarte limitat; SUA, UK, Franta, Rusia si mai nou China care face eforturi uriase sa se dezvolte.

In ultimii aproape 50 de ani numarul motoarelor noi pentru avioane de lupta intrate in exploatare este de circa 8:  SUA 4, Rusia 2, UK 1, Franta 1, restul fiind variante derivate.

Aparitia unor noi tipuri de avioane de lupta de o noua generatie, este dependenta de performantele motoarelor.

Grigore Leoveanu