Эволюция мотогондол сулит сложности с обслуживанием

ATO.ru — Под кожухом двигателей одного и того же семейства скрывается схожая архитектура, оптимизированная под разные мощностные характеристики. Однако в случае с двигателями CFM LEAP-1C кожух сам по себе является важной отличительной особенностью, поскольку мотогондола лайнера COMAC C919 станет частью "первой интегрированной силовой установки", введенной в коммерческую эксплуатацию.

Изготовленные фирмой Nexcelle, совместным предприятием Middle River Aircraft Systems (MRAS) и Safran Nacelles, мотогондолы для LEAP-1C воплощают в себе идею тесной интеграции с двигателем. Впервые эту идею опробовали в 2012 г. на демонстраторе Panache (Pylon and Nacelle Advanced Configuration for High Efficiency) от Nexcelle. Интегрировав реверс тяги во фланец пилона, создатели демонстратора Panache отказались от лонжеронов, которые обычно крепятся к пилону. Это позволило значительно снизить массу конструкции и ее аэродинамическое сопротивление.

Развивая этот проект, на двигателях LEAP-1C внедрили реверс тяги с кольцевым желобом, который занял место более распространенных двойных D-образных створок. Реверс оснастили не тяжелым пневматическим/гидравлическим приводом, а электрическим, впервые примененным на самолетах A380.

Помимо реверса тяги главными компонентами мотогондолы стали воздухозаборник, кожух вентилятора (открывающиеся капоты для сервисного обслуживания двигателя) и выхлопная система. Эти компоненты должны служить строительными блоками для всех будущих систем, хотя границы между ними могут стать более размытыми. MRAS изучила, можно ли интегрировать часть воздухозаборника с кожухом вентилятора. UTC Aerospace Systems в рамках проекта Ecological Integrated Propulsion System (экологичная интегрированная силовая установка) тестирует интегрированный реверс тяги на двигателе PW1000G. Собственные исследования проводят и другие конструкторы.

"Вполне вероятно, что за 10 лет общая конструкция мотогондолы изменится, и у компонентов будет разный уровень интеграции. Тем не менее базовый функционал останется прежним", — говорит Крис Гир, технический директор компании GKN Aerospace, которая выпускает мотогондолы.

Баланс между характеристиками и удобством обслуживания

Мотогондола — это не просто аэродинамический чехол для двигателя. В ее функции также входят быстрое торможение, которое обеспечивает реверс тяги, защита от разлета обломков в случае поломки, подача воздуха в двигатель, снижение уровня шума и защита от обледенения. При этом требуется минимизировать массу и обеспечить максимальный уровень безопасности полета, и все это несмотря на высокую температуру в двигателе.

Еще одна конструктивная особенность, сулящая трудности, связана с большой шириной хорды лопаток вентилятора на новых двигателях, которые ради топливной эффективности выполняют с высокой степенью двухконтурности. Для вентиляторов большого диаметра требуются большие мотогондолы. Будучи тяжелыми и имея высокий коэффициент сопротивления, они могут свести на нет выигрыш в топливной эффективности.

"Следовательно, главная цель будущих разработок — улучшить интеграцию мотогондолы с двигателем и пилоном для снижения сопротивления, а также продолжить оптимизировать традиционную схему нагрузки на двигатель и пилон", — говорит Марк Дюваль, президент UTC Aerospace Systems по авиационным конструкциям.

UTC — крупнейший производитель мотогондол для коммерческой авиации. Для компании и ее конкурентов безопасность всегда превыше всего, но при создании мотогондолы важно соблюдать баланс между производительностью, легкостью изготовления и ремонтопригодностью. Есть опасения, что в интегрированных мотогондолах ремонтопригодность приносится в жертву производительности.

"В случае поломки ремонт, скорее всего, будет сложным и затратным. Судя по всему, ремонтопригодность уходит на второй план. Хотя это не удивительно, ведь OEM-производители претендуют на статус поставщиков запасных частей", — говорит Бэзил Баримо, исполнительный вице-президент сервисного подразделения Nordam.

Наличие сложных в обслуживании и ремонте компонентов означает, что производители гондол могут наращивать выручку за счет растущих продаж запчастей. Михаэль Лотцин, руководитель подразделения Lufthansa Technik по продажам авиационных компонентов, отмечает, что мотогондолы для Boeing 787 стоят в пять раз дороже, чем для его предшественника Boeing 767. Кроме того, гондолы для Boeing 787 сложнее обслуживать: "Створки кожуха вентилятора выполнены в виде парных элементов внешнего и внутреннего контуров — это ведет к удорожанию складских запасов, поскольку операторам необходимо иметь в запасе парные наборы".

Сторонние провайдеры услуг по ТОиР также опасаются, что в попытке увеличить долю на рынке OEM-производители ограничат доступ к технической документации. Для устранения этих рисков некоторые из них подписали соглашения о сотрудничестве, которые дают доступ к руководствам по ремонту. Например, Lufthansa Technik договорилась с UTC о поставках заменяемых компонентов мотогондол для Boeing 787 и Airbus A350, а также о их обслуживании.

Тем не менее никто не может сказать, приведет ли все вышеперечисленное к увеличению затрат на протяжении жизненного срока новых систем. Более высокие расходы на обслуживание могут оправдаться увеличением межсервисного интервала и повышением эффективности, связанным со снижением массы и аэродинамического сопротивления мотогондол. Однако потребуются тысячи циклов, чтобы понять, какую роль сыграют эти факторы.

Композиты

Мотогондолы стали одними из первых узлов, в производстве которых использовали преимущества углеродного волокна. Доля таких материалов в авиастроении росла по мере того, как конструкторы пытались облегчить элементы, габариты которых по определению нельзя уменьшить. Переломный момент был достигнут с выпуском мотогондолы для A380, в которой на долю композиционных материалов пришлось 52%. В мотогондолах для A320neo металла стало еще меньше, но маятник может качнуться и в обратную сторону.

"На мой взгляд, мы достигли максимальной доли композиционных материалов, особенно в сегменте узкофюзеляжных самолетов, где основное значение придается недорогим решениям и сокращению затрат на обслуживание", — говорит Дюваль.

Провайдеры услуг по ТОиР потратили несколько десятков лет на знакомство с композитами, которые используются в мотогондолах. Для изучения их состояния задействуется широкий спектр методов, включая проверку постукиванием, термографию, ультразвуковое тестирование, бороскопию, рентгенографию, радиографию, травление и капиллярную дефектоскопию.

Между тем изменились и свойства самих композитов. Некоторые производители перешли к использованию технологии эпоксидных IFS-нитей, которые более ремонтопригодны, чем BMI-матрицы. Новые технологии изготовления позволяют использовать более сложные композитные компоненты с меньшим количеством мест стыковок. Впрочем, это может привести к усложнению процесса обслуживания.

Углеволокно, которое примерно на одну пятую раз легче алюминия, пользуется популярностью из-за высокого соотношения прочности и массы. Следующим шагом может стать внедрение в конструкцию мотогондол устойчивых к высоким температурам керамических композитов, хотя дороговизна этого материала может воспрепятствовать таким новшествам. Между тем беспокойство относительно издержек на протяжении жизненного цикла изделий может привести к тому, что в конструкции интегрированных силовых установок вновь появится больше металлических сплавов.

Аддитивные технологии

Если металлы отберут часть доли у композиционных материалов, то могут пригодиться технологии 3D-печати. Пока это медленный процесс, который в основном используется для макетирования, но у него есть два существенных преимущества по сравнению с механообработкой. Во-первых, фрезеровка блока из дорогостоящего материала, такого как титан, создает дорогие отходы производства. Во-вторых, при изготовлении деталей с нуля, слой за слоем, можно получить более сложные компоненты, не нуждающиеся в креплениях, что снижает их массу.

В этом году GKN планирует открыть в США центр НИОКР для исследования металлических порошков, используемых в аддитивном производстве. В 2016 г. компания создала в Германии совместное предприятие по производству этих порошков. Гир уверен, что возможности такой технологии "стремительно движутся в сторону критически важных компонентов и систем", одной из которых может стать внутренняя обшивка реверса тяги из титана.

Дюваль, напротив, скептически оценивает потенциал аддитивных технологий в производстве мотогондол. Подчеркнув достоинства этой технологии на стадии проектирования, он отметил, что UTC с трудом находит применение ей на производственной линии.

"Без сомнения, аддитивные технологии будут использоваться в производстве наших мотогондол, но в отличие от других систем коммерческих самолетов никакой революции не предвидится", — говорит он.

Ремонтный цикл

Повреждения мотогондолы обычно становятся следствием длительной термической деформации, а также столкновения с птицами или наземным оборудованием. В композитах встречаются такие повреждения, как нарушение связи матрицы и волокна, а также расслоение. Алюминиевые детали в свою очередь подвержены коррозии. Для обоих материалов характерны трещины, выбоины, разрывы и вмятины.

Исключая повреждения от столкновений, сервисные компании отмечают широкий разброс во времени, которое двигатели проводят на крыле. Лотцин из Lufthansa Technik и Баримо из Nordam признались, что их впечатлил срок службы двигателя GE90. Впрочем, первый из них отметил "участившиеся случаи отслоения материала, вызванного повреждением от инородного тела". Проблема, которая коснулась двигателей CFM56-7, была "связана с конструктивным дефектом реверса тяги, из-за чего весь парк силовых установок пришлось снять с крыла раньше времени", рассказал Баримо.

Пока еще слишком рано сравнивать долговечность компонентов мотогондол старого и нового поколения, говорит Стефан Луаз, руководитель отдела поддержки клиентов по вопросам обслуживания мотогондол в компании Air France — KLM Engineering & Maintenance. При этом он отмечает, что "следы окислительных процессов" по-прежнему находят даже на более новом оборудовании.

В случае повреждений авиакомпании предпочитают проводить ремонт без снятия двигателя с крыла. По мере того как затраты на транспортировку крупных мотогондол будут расти, эта тенденция будет только крепнуть. Однако Лотцин считает, что реализовать такие предпочтения может оказаться непросто. "Сомневаюсь, что мотогондолы нового поколения будут ремонтировать на крыле: этому помешают и сложность их конструкции, и набор процедур, предписанных OEM-производителями", — говорит он.

Что касается оборудования текущего поколения, то, по мнению Баримо, можно легко найти исправные запчасти, оставшиеся от списанных самолетов, так что для компонентов, которые надо отправить в сервисный центр на ремонт, легко ищется замена. "Однако в случае с мотогондолами нового поколения это уже не сработает. Разумно предположить, что запасные части для них будут значительно дороже", — говорит он.

В такой ситуации эксплуатанты будут рассчитывать на то, что компоненты для мотогондол нового поколения окажутся более надежными, чем их предшественники, и что это оправдает их высокую стоимость. — ATO.ru