Авторы Галина Писарева, Артем Мальцев
Расширение рынка БПЛА и растущая конкуренция между крупными производителями подталкивают лидеров авиационного двигателестроения к дальнейшему внедрению инноваций и, соответственно, созданию перспективных авиационных комплексов на основе силовых установок нового поколения.
Основную долю (57%) мирового рынка авиационных двигателей сегодня составляют двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД). Они обеспечивают максимальные показатели мощности и тяги, позволяя современным боевым самолетам достигать наилучших кинематических характеристик скорости и маневренности. Оборотной стороной медали, однако, выступает крайне высокая стоимость – как с точки зрения производства, так и с точки зрения эксплуатации и обслуживания.
Конструкция ТРДД содержит множество сложных подсистем (турбины и компрессоры высокого и низкого давления, форсажную камеру и сопло, системы управления и охлаждения и т.д.), в совокупности включающих десятки тысяч индивидуальных деталей и компонентов. В итоге конечная себестоимость единицы ТРДД превышает десятки миллионов долларов, а цена обслуживания реактивного боевого истребителя обходится вооруженным силам в десятки тысяч долларов за полетный час. На практике именно такие высокие расходы и обуславливают доминирование ТРДД в международной статистике продаж в соответствующем сегменте рынка вооружений.
При этом лишь по-настоящему крупные и богатые страны могут позволить себе приобретать сотни военных самолетов с такими двигателями – так, например, в начале 2010-х гг. шуточное прозвище «праматерь всех тендеров» получил в прессе печально знаменитый конкурс MMRCA по закупке 126 многоцелевых боевых самолетов среднего класса в интересах ВВС Индии (как известно, в 2015 г. после череды скандалов и неудачных переговоров проект был закрыт, а закупки победителя тендера – истребителя Rafale сильно сокращены). Серийность выпуска реактивных самолетов стабильно сокращается с каждым новым поколением, что в свою очередь приводит к еще большему росту соответствующих экономических издержек.
На этом фоне неудивительно, что все более заметную роль в авиационной промышленности как в военном, так и в гражданском секторе начинают играть беспилотные летательные аппараты. Хотя нынешние беспилотники пока не могут решать задачи завоевания превосходства в воздухе, выступать в роли стратегических бомбардировщиков или тяжелых транспортных самолетов, спектр их возможного применения постоянно расширяется, а дешевизна и простота конструкции значительно упрощает их внедрение и использование в новых нишах. Очевидные успехи применения БПЛА на поле боя в последних вооруженных конфликтах (как низкой, так и высокой интенсивности) сегодня признают в армиях всего мира. Доля этого сегмента мирового рынка вооружений постоянно увеличивается. При этом, в отличие от «тяжелой» пилотируемой авиации, даже в небольших государствах промышленность может выпускать легкие «дроны» сотнями и тысячами.
Популярность беспилотников в широком смысле обеспечила этой теме пристальное внимание экспертов и обозревателей. Тем не менее, вопросы устройства рынка силовых установок для БПЛА слабо раскрываются в отечественной публичной экспертизе. Поэтому в предлагаемой статье мы подробно рассмотрим основные виды конструкции двигателей беспилотников, их достоинства и недостатки и, наконец, перспективы на экспортных рынках ближайшего будущего.
Типы двигателей для беспилотников
Дроны, как и любые другие летальные аппараты, немыслимы без силовой установки. Хотя конструкция любого БПЛА всегда включает корпус, бортовую электрическую систему, схемы управления и связи, именно двигательная система прежде всего определяет полетный профиль беспилотника и, соответственно, возможную сферу его применения. В свою очередь, каждая двигательная установка, разумеется, включает в себя некоторый источник энергии, а также силовой агрегат (мотор), преобразующий поступающую энергию в механическую работу и таким образом приводящий в движение всю конструкцию.
По типу используемого источника энергии все двигательные установки беспилотных летательных аппаратов можно в общих чертах разделить на три категории: 1) электрические двигатели (т.е. работающие на электроэнергии от аккумулятора); 2) двигатели внутреннего сгорания (т.е. работающие на углеводородном топливе); 3) гибридные топливно-электрические двигатели.
В свою очередь традиционные двигательные установки на углеводородном топливе обычно также разделяют на категории в соответствии с принципами устройства генерации и передачи механической энергии. Единой и общепринятой классификации при этом не существует, разные страны и производители могут использовать различные наборы категорий и определений. Если посмотреть на данные агрегаторов статистики мирового экспорта вооружений (например, на базу данных Стокгольмского института изучения проблем мира – SIPRI Arms Transfer Database), можно увидеть, что используемые в индустрии БПЛА авиационные двигатели легкого класса разделяются на «электрические», «поршневые», «роторные» и «турбовинтовые».
Все поршневые, роторные и роторно-поршневые силовые установки представляют собой различные вариации двигателя внутреннего сгорания, которые используют горючее топливо (например, бензин, дизель или авиационный керосин). На практике многие современные БПЛА используют модели силовых установок, изначально создававшиеся именно для наземного колесного транспорта, – мощности компактного бензинового двигателя вполне хватает для поднятия в воздух небольшого летательного аппарата весом в несколько сотен килограммов. Основная конструкция двигателя при этом практически не претерпевает изменений, однако возвратно-поступательное движение поршней передается валом не на автомобильные колеса, а на тянущий или толкающий винт, обеспечивающий тягу.
В табл. 1 представлены общие характеристики типов двигателей и соответствующие параметры для оснащенных такими двигателями БПЛА.
Поршневые двигатели активно применяются в авиационной технике с момента изобретения братьями Райт первого самолета и до сих пор обеспечивают оптимальный расход топлива, оставаясь, таким образом, наиболее предпочтительной силовой установкой для легкомоторных летательных аппаратов с точки зрения экономичности. Основные принципы устройства этих двигателей, по сути, не изменились с начала XX века, и по характеристикам мощности и коэффициента полезного действия они в целом уже давно достигли технологического предела развития. По этой причине ко второй половине XX века гражданская и военная авиация постепенно перешла к использованию двигателей на основе турбины, что обеспечивает значительно большую мощность (а следовательно, и тягу).
Таким образом, БПЛА на поршневых силовых установках отличаются сравнительно небольшим максимальным взлетным весом и полезной нагрузкой, а также развивают относительно малую скорость. Поскольку все поршневые «дроны» приводятся в движение пропеллером (тянущим или толкающим винтом), такие летательные аппараты никогда не смогут превысить скорость звука. Кроме того, поршневые двигатели существенно ограничивают высотный потолок летательного аппарата: в разреженной атмосфере такой силовой установки не хватает воздуха для работы, следовательно, ее производительность начинает снижаться вплоть до полного отказа.
БПЛА на поршневых двигателях менее эффективны для полетов на большие расстояния с высокой скоростью. Следовательно, они не могут применяться для перевозки крупногабаритных грузов (или как носители тяжелого вооружения) и всегда будут уступать в маневренном воздушном бою летательным аппаратам с турбовинтовым или реактивным двигателем.
Тем не менее, для БПЛА малого или среднего размера эти недостатки не имеют особого значения. С точки зрения простоты конструкции (а значит, и дешевизны производства и обслуживания) поршневые двигатели гораздо выгоднее любых силовых установок на основе турбины. По статистике SIPRI, более 58% реализованных на экспортных рынках в период с 1991 по 2022 г. беспилотников были оснащены именно поршневыми двигателями (рис. 1).
В качестве примера наиболее успешного поршневого двигателя БПЛА можно привести знаменитое семейство четырехцилиндровых установок Rotax 912/914, лежащих в основе практически всех наиболее популярных беспилотников среднего класса, включая американский MQ-1 Predator, турецкий TB-2 Bayraktar, израильский Elbit Hermes 900, китайский Wing Loong I, а также иранский Shahed 129. В табл. 2 приведены сведения о типах двигателей, установленных на популярных БПЛА, которые производят в разных странах.
На втором месте после поршневых установок располагаются роторные двигатели. По сути, принципы их устройства весьма сходны – оба вида силовых установок представляют собой двигатели внутреннего сгорания, в которых продукты горения углеводородного топлива одновременно выступают и рабочим телом.
Однако если в поршневых двигателях механическая работа расширяющегося газа передается из цилиндра на поршень, совершающий возвратно-поступательные движения, то в роторном двигателе соответствующий элемент отсутствует, и вместо него энергия сгорания поступает на вращающийся ротор. Это позволяет обеспечить непосредственную передачу крутящего момента от основного подвижного элемента двигателя к пропеллеру без использования коленчатого вала, кривошипно-шатунных механизмов и других элементов, преобразующих возвратно-поступательные движения во вращающие.
Роторный двигатель способен работать на высоких оборотах, в то же время обеспечивая более плавное и стабильное вращение передающего вала. С практической точки зрения это позволяет еще больше упростить конструкцию, уменьшив конечный вес и габариты установки. По сравнению с поршневым двигателем аналогичного размера и массы, роторная установка обычно может обеспечить большую мощность, что критически важно для летательного аппарата небольших размеров. С другой стороны, роторный двигатель отличается меньшим КПД и, соответственно, потребляет существенно больше топлива. Кроме того, такой конструкции свойственны некоторые проблемы с герметичностью, что повышает расход машинного масла и снижает максимальный и промежуточный ресурс двигателя.
В целом, в легкомоторном сегменте пилотируемой авиации поршневые двигатели исторически доминировали над роторными. Преимущества последних не имели критического значения – при максимальном весе самолетов малой авиации от 1,5 до 5 т лишними десятками килограммов можно и пренебречь в пользу большей экономичности двигателя. Однако в классе сверхлегких летательных аппаратов массой до 500 кг роторные двигатели приобретают актуальность.
Примерами наиболее популярных БПЛА на основе роторных двигателей выступают израильские разведывательные беспилотники Hermes-450, а также «барражирующие боеприпасы» Harpy/Harop.
Израильский БПЛА Harop
В свою очередь, создание более тяжелых БПЛА неизбежно требует внедрения более мощных двигателей на основе турбины. В эту категорию включаются турбовинтовые (turboprop), турбовальные (turboshaft), а также двухконтурные турбореактивные двигатели (turbojet) (включая, турбовентиляторные (turbofan) двигатели высокой степени двухконтурности).
Как уже обсуждалось ранее, турбореактивные двигатели обычно применяются в скоростной и высотной боевой авиации; в беспилотниках такие силовые установки пока практически не применяются, если не считать экспериментальные программы класса «верный ведомый» (Loyal Wingman), тестируемые в настоящее время в США, Китае, России и ряде европейских стран. В перспективе такие дроны могут войти в состав авиационного комплекса истребителей шестого поколения.
Турбовальные и турбовинтовые двигатели в принципе не используют реактивную тягу, вместо этого передавая энергию от вращения турбины на вал, который в свою очередь приводит в действие толкающий или тянущий пропеллер. По сравнению с поршневыми и роторными двигателями турбовинтовые установки обеспечивают гораздо более высокую скорость и маневренность, но опять-таки уступают последним с точки зрения расхода топлива (см. табл. 1).
На практике турбовинтовые двигатели устанавливаются на БПЛА среднетяжелого класса, предназначенные в том числе для решения ударных задач. Хрестоматийным примером такого аппарата служит американский БПЛА MQ-9 Reaper, максимальный взлетный вес которого составляет до 5 т, а полезная нагрузка может включать управляемые бомбы с лазерным наведением.
Американский БПЛА MQ-9 Reaper
Наконец, в последние годы все большую популярность начинают приобретать силовые установки БПЛА на основе электродвигателя, основные преимущества которого – экономичность, компактность, простота в обслуживании и эффективность. Для беспилотных летательных аппаратов используются электродвигатели, которые в основном питаются от аккумуляторов, топливных элементов или солнечных батарей. По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, полное электродвижение обеспечивает максимально высокий КПД (выше 90%), в то время как вследствие невысокой стоимости и простоты конструкции такие установки значительно превосходят даже роторные и поршневые двигатели.
Однако на сегодняшний день основным недостатком БПЛА на электрических двигателях выступает ограниченная энергоемкость аккумуляторных батарей. При достаточно мощном питании электродвигатель может создавать тягу, не уступающую тяге турбовинтовой установки, однако на практике существующие технологии аккумуляторных батарей попросту не позволяют разместить сравнительно легкие и компактные батареи достаточно высокого напряжения и силы тока. Таким образом, практическая мощность размещаемых на беспилотниках электродвигателей на порядок уступает мощности поршневых силовых установок, в то время как радиус действия соответствующих БПЛА составляет обычно лишь несколько десятков километров. Это ограничивает область применения электродвигателей для беспилотников сверхлегкого класса.
В гражданском секторе БПЛА именно электрические двигатели за счет своих основных преимуществ заняли доминирующее положение на рынке. Распространены они и в современных вооруженных конфликтах, в том числе высокой интенсивности. Так, в частности, широкую известность в последние годы приобрели так называемые «FPV-дроны» – компактные беспилотники на основе квадрокоптера (или мультикоптера), которыми управляет оператор с помощью телевизионного видеопотока с камеры БПЛА (отсюда и название: First-Person View – FPV), транслируемого непосредственно в очки виртуальной реальности (VR).
В классическом исполнении FPV-дроны оснащаются небольшой боевой частью в виде осколочно-фугасной или кумулятивной мины и гранаты и применяются в качестве многоцелевого ударного средства поражения малой дальности (по этой причине подобные БПЛА также называют «дронами-камикадзе). Радиус действия FPV-дрона обычно составляет около 10 км, а вес боевой части не превышает 3 – 3,5 кг. Максимальный высотный потолок обычно ограничен значением до 300 м. При этом прямое телеуправление таким дроном обеспечивает высокую точность поражения, позволяя наносить удары по уязвимым местам бронетехники и бороться с живой силой противника в укрытии.
Нужно отметить, что спектр применения БПЛА на основе квадрокоптеров не ограничивается дронами боеприпасами (камикадзе). Например, такие беспилотники могут использоваться в качестве средства вертикального сброса мин и гранат, что обеспечивает возможность их повторного использования. Огромное тактическое значение имеет также применение сверхлегких БПЛА разведывательного назначения, что позволяет существенно повысить ситуативную осведомленность отдельных пехотных подразделений. Бесшумность работы электродвигателей и компактные размеры аппаратов делают такие БПЛА практически незаметными на высоте 150–200 м в боевой обстановке.
Главным преимуществом сверхлегких БПЛА на основе электродвижения остается впечатляюще низкая цена. Самая дорогая часть конструкции мультикоптера – электродвигатель, однако по сравнению со всеми остальными видами силовых установок, используемых в БПЛА, его стоимость незначительна. Именно благодаря своей дешевизне и легкости в изготовлении FPV-дроны все больше привлекают внимание вооруженных сил во всем мире.
В то же время, оценить объемы этого растущего рынка пока не представляется возможным. Существенную долю текущего выпуска сверхлегких БПЛА составляет кустарное производство в небольших частных фирмах и на предприятиях, осуществляемое на основе субкомпонентов, приобретенных на коммерческом гражданском рынке. Стоимость одного FPV-дрона на основе квадрокоптера может составлять от 500 до 1000 долларов. При этом стоимость отдельных электродвигателей (по одному на каждый винт) может не превышать 30 долларов. Для сравнения, стоимость наиболее дешевых моделей роторного двигателя варьируется от 10 000 до 150 000 долларов, а для поршневого двигателя соответствующий показатель может составлять от 5000 до 50 000 долларов.
Перспективы развития БПЛА на электродвижении упираются, во-первых, в характеристики существующих технологий аккумуляторных батарей, во-вторых, в качество систем связи и управления БПЛА, обеспечивающих устойчивость применения беспилотников в условиях интенсивного радиоэлектронного противодействия. Развитие технологии аккумуляторных батарей позволит существенно расширить радиус применения и автономность БПЛА, в то время как прогресс в системах связи и управлении даст возможность существенно повысить эффективность применения сверхлегких дронов на тактическом уровне.
Важно подчеркнуть, что характер силовой установки фактически определяет себестоимость беспилотной платформы. Например, себестоимость тяжелого разведывательного БПЛА RQ-4 Global Hawk, оснащенного ТРДД, составляет более 80 млн долларов, в то время как турбовинтовой MQ-9 Reaper (или его китайский аналог CH-4) будет стоить от 7 до 10 млн долларов. При этом стоимость БПЛА с двигателем поршневого типа обычно составляет от 1 до 5 млн долларов.
RQ-4 Global Hawk
Сверхлегкие БПЛА на электродвижении стоят на порядок дешевле, однако спектр их применения в настоящее время ограничивается тактическими разведывательными и ударными задачами. В ряде регионов, например, на Тихоокеанском театре военных действий, спрос на такого рода сверхмалые БПЛА пока что носит ограниченный характер.
Основные компании-производители двигателей для беспилотников
Рассмотрим особенности рынка силовых установок БПЛА и наиболее крупных производителей.
Пожалуй, наиболее значимым игроком в сфере разработки и выпуска поршневых двигателей для БПЛА выступает австрийская компания Rotax (BRP-Rotax GmbH & Co KG). К 1990-м гг. эта компания была безоговорочным лидером в области силовых установок для легкомоторных самолетов. Ее совокупная доля рынка превышала доли всех остальных производителей двигателей для малой авиации. После того как с 2000-х гг. вооруженные силы США и других западных стран заинтересовались разработкой БПЛА для применения в асимметричных военных конфликтах, Rotax начала экспансию на новый потенциальный рынок и вступила в кооперацию с рядом частных компаний-стартапов, занимавшихся разработкой БПЛА легкого и среднего класса (таких как израильская Elbit, американская General Atomics).
Двигатели Rotax отличаются компактными размерами и высокой удельной мощностью, что особенно важно для малых и средних беспилотников. Помимо поставки готовых двигателей, Rotax также активно занимается трансфером технологий, лицензионным производством – по некоторым сведениям, соответствующие технологии были переданы в Италию и Китай. Интересно, что выпущенные по лицензии двигатели Rotax 912 впоследствии использовались в турецких БПЛА Bayraktar TB-2 и иранских беспилотниках Mohajer-6 и Shahed-129.
Еще одна крайне успешная австрийская компания на рынке производителей поршневых двигателей – Orbital UAV (Orbital Corporation Limited), которая вышла на рынок БПЛА в начале 2000-х гг. и специализируется на производстве поршневых и гибридных двигателей. Так же, как и Rotax, компания Orbital UAV решила адаптировать собственные поршневые двигатели для легкомоторной авиации под нужды беспилотников в 2000-е гг. на фоне первоначального всплеска интереса к беспилотникам средне-легкого класса.
Один из ключевых факторов успеха Orbital UAV – это стратегические партнерства с крупными военными подрядчиками, такими как Boeing Insitu и Textron Systems. Это сотрудничество позволило Orbital разработать двигатели для тактических и разведывательных дронов, таких как ScanEagle и RQ-21 Blackjack, которые активно используют военные США и их союзники.
В сегменте роторных двигателей для БПЛА лидирующие позиции занимает Великобритания. В качестве ведущих компаний можно назвать фирмы AV Engines Ltd (UEL), Rotron Power Limited и Advanced Innovative Engineering (AIE).
UEL была основана в 1986 г. и с тех пор зарекомендовала себя как ключевой поставщик двигателей для тактических разведывательных дронов, а также беспилотников гражданского назначения. Наибольших успехов UEL добилась в 1990-е гг., поставляя авиационные двигатели для первых массовых израильских БПЛА, таких как, например, чрезвычайно популярный дрон IAI Searcher. Беспилотники этого семейства впоследствии оказались очень успешными в отношении экспорта, их поставки осуществлялись в Азербайджан, Индию, Россию, Сингапур, Таиланд, Эквадор и Тайвань.
В настоящее время компания UEL активно работает с различными оборонными подрядчиками и правительственными организациями по всему миру, в особенности на европейских и азиатских рынках. Британские производители достигли значительных успехов в решении традиционных технологических проблем роторных двигателей (например, в виде усовершенствованных уплотнений ротора для снижения расхода масла и повышения ресурса силовой установки).
В сегменте турбовинтовых и турбовальных двигателей для БПЛА доминируют преимущественно «традиционные» гиганты авиационной промышленности, такие как британский концерн Rolls-Royce, а также американская компания Honeywell.
Rolls-Royce вышла на рынок двигателей для беспилотных летательных аппаратов благодаря тому, что на момент начала развития этого рынка компания уже обладала огромным опытом в создании турбовальных двигателей для вертолетов, а также турбовентиляторных двигателей для гражданской и специальной авиации. Турбореактивные двигатели Rolls-Royce используются в тяжелых БПЛА, таких как разведывательный RQ-4 Global Hawk, а также в беспилотном «заправщике» MQ-25 Stingray.
Американская компания Honeywell – также крупный производитель двигателей, она добилась значительных успехов в области создания турбовинтовых двигателей высокой удельной мощности, но в то же время сравнительно компактных размеров. С начала 2000-х гг. турбовинтовой двигатель Honeywell TPE331 получил широкое распространение в разведывательно-ударных БПЛА среднетяжелого класса, таких как RQ-7 Shadow, MQ-8 Fire Scout и MQ-9 Reaper. Изначально созданный в качестве вспомогательной силовой установки для военно-транспортного самолета Convair C-131 Samaritan еще в 1960-х гг., этот двигатель затем неоднократно модернизировался (в 1970-х и 1980-х гг.) и зарекомендовал себя как оптимальный вариант для компактных легкомоторных самолетов с повышенными скоростными характеристиками. Таким образом, в 1990-е гг. он привлек внимание General Atomics в качестве «ядра» для созданию беспилотников с повышенным высотным потолком.
В целом, как в случае Honeywell, так и в случае Rolls-Royce успех этих компаний на рынке БПЛА был обеспечен сотрудничеством с крупными военными подрядчиками – такими как Northrop Grumman и General Atomics.
Наконец, безоговорочным лидером на рынке электрических двигателей и аккумуляторов (как для БПЛА, так и для другой транспортной техники) в настоящее время считается Китай. Производством электромоторов в основном занимаются компании частного сектора, ориентированные преимущественно на гражданский коммерческий рынок.
К наиболее крупным фирмам следует отнести компании T-Motor, Sunnysky, DJI, XRotor, Tarot и Hobbywing. Все эти производители известны в первую очередь из-за выпуска сверхмалых квадрокоптеров и мультикоптеров развлекательного назначения. Максимальный вес таких БПЛА часто не превышает одного килограмма. Тем не менее, в последние годы китайские фирмы также активно производят беспилотники промышленного назначения, предназначенные для использования в сфере строительства, энергетики и сельского хозяйства. Многие из перечисленных компаний занимаются не только выпуском электромоторов, но также разрабатывают и производят сопутствующую электронику, например, регуляторы скорости, полетные контроллеры и системы управления.
Подведем итоги. В настоящее время рынок силовых установок для БПЛА в основном занят производителями поршневых и роторных двигателей для легкомоторной авиации. Такие двигатели обеспечивают оптимальные характеристики с точки зрения соотношения закупочной цены и боевых возможностей. Себестоимость летательного аппарата в этой категории может быть сопоставима со стоимостью дорогого автомобиля, что дает возможность организовывать достаточно массовое производство и закупки. В то же время на современном поле боя такие авиационные комплексы используются в качестве «расходного» разведывательного или ударного средства.
Турбовинтовые двигатели применяются в сложных и дорогих БПЛА среднетяжелого класса, приобретаемых в основном богатыми государствами Европы, Ближнего Востока и Азиатско-Тихоокеанского региона для решения специализированных задач. Экономическая целесообразность приобретения БПЛА с такими силовыми установками во многом сопоставима с доводами в пользу пилотируемых платформ, но при этом применение БПЛА оправдывается за счет их уникальных боевых возможностей (в частности, это высокая автономность при работе на больших высотах).
Наконец, электрические двигатели пока что имеют лишь нишевое применение – в качестве силовой установки для сверхлегких «пехотных» БПЛА тактического уровня. Несмотря на очевидную дешевизну таких БПЛА в качестве инновационного ударного и разведывательного средства, их ограниченные радиус действия и автономность не позволяют применять такие дроны для решения традиционных задач военной авиации.
Тем не менее, если силовые установки на основе двигателей внутреннего сгорания скорее исчерпали перспективы дальнейшего технологического совершенствования, качественный прогресс в создании более емких аккумуляторов, вероятно, сможет существенно расширить область использования БПЛА на электродвижении, что открывает возможности для революции в области массового производства новых платформ авиационного вооружения.
