Airbus i CFM International predstavili su na ovogodišnjem Farnborough International Airshowu novi izgled Airbusa A380 koji će biti pretvoren u leteći laboratorij za ispitivanje pogonske tehnologije Open Fan. Zrakoplov bi do kraja desetljeća trebao sudjelovati u opsežnoj kampanji probnih letova u sklopu programa CFM RISE, jednog od najvažnijih aktualnih projekata razvoja pogonskih sustava za novu generaciju putničkih zrakoplova.

Predstavljena shema bojanja označava postupni prijelaz projekta iz faze istraživanja i zemaljskih ispitivanja prema integraciji demonstracijskog motora pune veličine na zrakoplov. Inženjerski timovi Airbusa i CFM-a nedavno su završili prvi pregled konceptualnog dizajna letnih ispitivanja, čime su potvrđene osnovne tehničke pretpostavke za ugradnju motora, potrebne preinake zrakoplova i pripremu buduće testne kampanje.

CFM International, zajednička tvrtka GE Aerospacea i Safran Aircraft Enginesa, pokrenuo je program RISE 2021. godine s ciljem razvoja tehnologija koje bi mogle smanjiti potrošnju goriva i emisije ugljikova dioksida za više od 20 posto u odnosu na današnje najučinkovitije motore namijenjene uskotrupnim zrakoplovima.

RISE nije razvojni program jednog unaprijed definiranog serijskog motora. Riječ je o širokom skupu tehnoloških demonstratora kojima se pripremaju pogonski sustavi za sljedeću generaciju komercijalnih zrakoplova, čiji se ulazak u uporabu očekuje tijekom 2030-ih godina.

Najprepoznatljiviji dio programa upravo je arhitektura Open Fan. Za razliku od klasičnog turboventilatorskog motora, kod kojeg su lopatice ventilatora smještene unutar velikog kućišta ili gondole, Open Fan koristi izložene lopatice bez vanjskog prstena koji ih okružuje.

Uklanjanje gondole omogućuje uporabu ventilatora znatno većeg promjera i pokretanje veće količine zraka oko jezgre motora. Veći dio potiska tako nastaje ubrzavanjem velike mase zraka za relativno malu promjenu brzine, umjesto ubrzavanja manje količine zraka na znatno veću brzinu.

Takav je način stvaranja potiska energetski učinkovitiji i omogućuje znatno veći omjer obilaznog strujanja nego kod klasičnih turboventilatorskih motora. CFM navodi da bi jednoredni Open Fan mogao ostvariti omjer obilaznog strujanja više od pet puta veći od onoga koji je moguće postići i kod najnaprednijih motora s kućištem ventilatora.

Lopatice ventilatora trebale bi biti izrađene od kompozita ojačanih ugljičnim vlaknima kako bi se smanjila masa, uz istodobno osiguravanje potrebne čvrstoće i otpornosti na zamor materijala tijekom dugotrajne komercijalne uporabe.

Iako izgledom podsjeća na turboprop motor, Open Fan namijenjen je putničkim zrakoplovima koji bi trebali zadržati brzine krstarenja usporedive s današnjim mlaznim zrakoplovima. Upravo je očuvanje velikih brzina leta uz smanjenje potrošnje goriva jedna od glavnih prednosti ove arhitekture.

Istodobno, uklanjanje zaštitnog kućišta ventilatora pred inženjere postavlja niz izazova. Izložene lopatice moraju zadovoljiti stroge sigurnosne zahtjeve koji obuhvaćaju udare ptica, usisavanje stranih predmeta, vibracije, zamor materijala i moguće otkazivanje pojedinih dijelova.

Safran je već proveo opsežna mehanička ispitivanja lopatica, uključujući testove udara stranih predmeta i dugotrajna vibracijska ispitivanja. Provedene su i stotine sati aerodinamičkih ispitivanja u zračnim tunelima.

U okviru šireg programa RISE tisuće ciklusa ispitivanja izdržljivosti i stotine pojedinačnih testnih kampanja nisu obuhvatile samo Open Fan, nego i kompaktnu jezgru motora, materijale otporne na visoke temperature, napredne sustave izgaranja, električne komponente te tehnologije povezane s hibridno-električnim pogonom.

Prije prvog leta demonstracijski motor proći će opsežan niz zemaljskih ispitivanja. Ona će obuhvatiti rad pri različitim režimima potiska, ponašanje lopatica pri visokim brzinama vrtnje, vibracije, temperature, pouzdanost reduktora i drugih mehaničkih sklopova te funkcionalnost sustava upravljanja motorom.

Posebno važan dio razvoja predstavljaju aerodinamička i akustična ispitivanja. Open Fan mora dokazati ne samo manju potrošnju goriva, nego i prihvatljivu razinu buke u kabini i okolini zračnih luka.

Inženjeri zato analiziraju oblik, zakrivljenost i međusobni razmak lopatica, njihovu brzinu vrtnje te način na koji ventilator djeluje sa strujanjem zraka oko krila i trupa zrakoplova.

Dosadašnja ispitivanja uključivala su demonstratore smanjenih dimenzija u zračnim tunelima pri brzinama koje odgovaraju krstarenju komercijalnih zrakoplova od približno 0,8 Macha. Ispituje se i konfiguracija motora postavljenog ispod krila kako bi se utvrdilo na koji način krilo, nosač motora i Open Fan međusobno aerodinamički djeluju.

Airbus A380 omogućit će prijelaz iz kontroliranih laboratorijskih uvjeta u stvarno okruženje leta. Demonstracijski Open Fan bit će postavljen na posebno konstruiranu noseću strukturu na bočnoj strani trupa, iza i iznad krila.

Četiri postojeća motora i dalje će pogoniti zrakoplov, dok će eksperimentalni motor raditi neovisno kao ispitni sustav.

Takav položaj omogućit će sigurno ispitivanje novog pogonskog sustava, ali i precizno mjerenje njegova utjecaja na strujanje zraka oko trupa i krila. A380 je za tu ulogu posebno pogodan zbog svoje veličine, nosivosti i velike količine unutarnjeg prostora dostupnog za mjernu opremu, sustave za obradu podataka i radna mjesta inženjera.

Zajednička testna kampanja Airbusa i CFM-a trebala bi obuhvatiti mjerenje stvarne pogonske učinkovitosti, potrošnje goriva, potiska i aerodinamičkog otpora, kao i konstrukcijskih opterećenja koja se preko nosača motora prenose na zrakoplov.

Open Fan ispitivat će se tijekom polijetanja, penjanja, krstarenja, promjena potiska, spuštanja i prilaza za slijetanje. Inženjeri će analizirati i njegov rad u različitim atmosferskim uvjetima, na različitim visinama i pri različitim brzinama leta.

Senzori ugrađeni u motor, njegov nosač, krilo i trup mjerit će tlakove, temperature, vibracije, deformacije konstrukcije i lokalne brzine strujanja zraka. Rezultati će se zatim uspoređivati s računalnim simulacijama i podacima iz zračnih tunela kako bi se potvrdila točnost inženjerskih modela koji će se koristiti pri projektiranju budućih zrakoplova.

Jedno od ključnih pitanja bit će utjecaj motora na upravljivost zrakoplova. Budući da Open Fan ima znatno veći promjer od ventilatora na današnjim komercijalnim motorima, inženjeri moraju detaljno proučiti ponašanje zrakoplova pri promjenama potiska, bočnom vjetru i izvanrednim situacijama, uključujući nagli prestanak rada demonstracijskog motora.

Letna kampanja uključivat će i mjerenje unutarnje i vanjske buke. Mikrofoni ugrađeni u zrakoplov i postavljeni na zemlji bilježit će akustični potpis pogonskog sustava tijekom različitih faza leta.

Rezultati će se koristiti za dodatnu optimizaciju oblika lopatica, njihove brzine vrtnje i položaja motora u odnosu na zrakoplov. Pogonska učinkovitost, aerodinamička integracija, konstrukcijska opterećenja i buka zato su jednako važni dijelovi programa.

Dodatni izazov predstavlja integracija ove pogonske arhitekture na buduće uskotrupne zrakoplove. Veliki promjer ventilatora mogao bi zahtijevati više podvozje, drukčiji položaj motora ili potpuno novu konstrukciju krila.

Airbus zato u programu ne sudjeluje samo kao operator letećeg laboratorija, nego i kao proizvođač zrakoplova koji procjenjuje kako bi se ova tehnologija mogla ugraditi u sljedeću generaciju komercijalnih zrakoplova.

CFM istodobno razvija manju i toplinski učinkovitiju jezgru motora. Kompaktna jezgra trebala bi raditi pri višim tlakovima i temperaturama, uz primjenu naprednih metalnih legura, keramičkih kompozita i aditivno proizvedenih dijelova.

Program uključuje i sustave izgaranja projektirane za uporabu stopostotnog održivog zrakoplovnog goriva. Pojedine tehnologije razvijaju se i s mogućnošću budućeg povezivanja s hibridno-električnim pogonskim sustavima.

Europski dio programa dodatno se podupire kroz inicijative Clean Aviation. Ti projekti obuhvaćaju sastavljanje demonstracijskog motora, njegovu integraciju na zrakoplov, dobivanje odobrenja za let, samu testnu kampanju i analizu prikupljenih podataka.

Cilj je demonstrator dovesti do dovoljno visoke razine tehnološke zrelosti kako bi proizvođači mogli donijeti odluke o mogućem razvoju budućeg serijskog motora.

Uz tehničku integraciju, zrakoplovna industrija već proučava i način na koji bi se zrakoplovi s Open Fan motorima uklopili u svakodnevne operacije zračnih luka.

Takva istraživanja obuhvaćaju sigurnosne procedure, kretanje zrakoplova po stajanci, zemaljsko opsluživanje, održavanje, potrebnu infrastrukturu i regulatorni okvir za komercijalnu uporabu motora s izloženim lopaticama.

Sam koncept Open Fana nije nov. Slične arhitekture, tada uglavnom poznate kao unducted fan ili propfan, intenzivno su se razvijale tijekom 1980-ih i početkom 1990-ih godina, kada su visoke cijene goriva potaknule potragu za učinkovitijim pogonskim sustavima.

Među najpoznatijim demonstratorima bili su GE-ov GE36 unducted fan te propfan 578-DX koji su razvijali Pratt & Whitney i Allison. GE36 ispitivan je u letu na Boeingu 727, a poslije i na preinačenom McDonnellu Douglasu MD-80, dok je 578-DX također bio ugrađen i ispitivan na zrakoplovu MD-80.

Ti su demonstratori pokazali obećavajuće rezultate u pogledu potrošnje goriva, ali su daljnji razvoj ograničili buka, mehanička složenost, prihvatljivost među putnicima i upitna ekonomska opravdanost. Pad cijena goriva dodatno je smanjio komercijalni pritisak za uvođenje takve pogonske arhitekture.

Današnji program Open Fan zato ne predstavlja izum potpuno novog koncepta motora. Riječ je o suvremenoj interpretaciji arhitekture koja je u letu demonstrirana još prije nekoliko desetljeća.

Njezin povratak omogućili su napredak kompozitnih materijala, računalne dinamike fluida, digitalnog upravljanja motorom, proizvodnih metoda i akustičnog modeliranja. Današnji inženjeri tako mogu pokušati riješiti dio ograničenja zbog kojih raniji propfan koncepti nisu ušli u komercijalnu uporabu.

Prvi probni letovi demonstracijskog A380 očekuju se do kraja desetljeća, u sklopu Airbusovih aktivnosti letnih ispitivanja u Toulouseu.

Uspješna testna kampanja neće automatski značiti da će Open Fan odmah postati serijski motor. Rezultati će proizvođačima zrakoplova i motora te regulatornim tijelima omogućiti procjenu može li tehnologija zadovoljiti zahtjeve sigurnosti, pouzdanosti, buke, održavanja i operativne ekonomičnosti.

Potvrde li se trenutačna očekivanja, Open Fan mogao bi postati jedna od mogućih pogonskih tehnologija za novu generaciju uskotrupnih zrakoplova koja bi tijekom 2030-ih trebala naslijediti današnje obitelji Airbus A320neo i Boeing 737 MAX.

Predstavljanje novog izgleda A380 letećeg laboratorija u Farnboroughu zato nije najava potpuno nove ideje, nego vidljiv znak da se pogonski koncept koji je prije nekoliko desetljeća već ispitivan na zrakoplovima poput MD-80 vraća u tehnološki znatno zrelijem obliku i približava novoj kampanji ispitivanja u stvarnim uvjetima leta.