Williams F107

Williams F107 — это семейство малогабаритных турбореактивных двигателей (ТРД) с высокой степенью двухконтурности, разработанных и производимых американской компанией Williams International (США). Двигатели предназначены в первую очередь для применения в крылатых ракетах, а также в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) и некоторых экспериментальных летательных аппаратах.

История создания

Разработка двигателя F107 началась в 1970-х годах в рамках программы создания дозвуковой крылатой ракеты воздушного базирования AGM-86 ALCM (Air-Launched Cruise Missile). Компания Williams International, ранее специализировавшаяся на проектировании небольших газотурбинных двигателей для вспомогательных силовых установок и вертолётов, предложила конструкцию, которая сочетала малый вес и габариты с относительно высокой топливной эффективностью.

Первые испытания прототипа, обозначенного WR19, прошли в 1972 году. В 1976 году двигатель был принят на вооружение под обозначением F107-WR-100. В дальнейшем двигатель модернизировался, появились версии с повышенной тягой и улучшенными характеристиками для различных носителей. В 1980-х годах F107 стал основой силовой установки для крылатых ракет морского базирования BGM-109 Tomahawk (в варианте Block II и последующих), а также для противокорабельной ракеты AGM-84 Harpoon (в варианте с турбореактивным двигателем, заменяющим твердотопливный ускоритель).

Конструкция

Двигатель F107 представляет собой двухвальный турбореактивный двигатель с кольцевой камерой сгорания и регенеративным теплообменником (в ранних версиях) или без него (в поздних версиях). Основные конструктивные особенности:

• Компрессор: осецентробежный, двухступенчатый. Первая ступень — осевая, вторая — центробежная. Обеспечивает степень сжатия около 7:1.
• Камера сгорания: кольцевая, с форсунками для подачи топлива (керосин JP-10 или Jet A-1). В некоторых версиях используется система охлаждения стенок камеры сгорания воздухом от компрессора.
• Турбина: двухступенчатая, осевая. Первая ступень приводит в движение компрессор высокого давления (ротор), вторая — вентилятор (ротор низкого давления).
• Выходное устройство: сопло Лаваля (сверхзвуковое) для обеспечения оптимальной тяги на дозвуковых скоростях. В некоторых модификациях сопло выполнено регулируемым.
• Система смазки: автономная, с масляным баком и насосом. Масло используется для смазки подшипников роторов и редуктора (при наличии).
• Система запуска: электрический стартер-генератор, работающий от бортовой сети носителя или от аккумулятора.

Ранние версии (F107-WR-100) имели регенеративный теплообменник, который подогревал воздух после компрессора перед подачей в камеру сгорания, используя тепло выхлопных газов. Это повышало топливную эффективность на 10–15%, но усложняло конструкцию и увеличивало массу. В более поздних версиях (F107-WR-400) от теплообменника отказались в пользу упрощения и снижения стоимости, при этом тяга была увеличена.

Модификации

Семейство F107 включает несколько основных модификаций, различающихся тягой, габаритами и системами управления:

Все модификации имеют диаметр около 330 мм и длину около 800 мм (без учёта сопла и впускного устройства).

Характеристики

Основные технические характеристики двигателя Williams F107 (на примере версии F107-WR-400):

• Тип: двухвальный турбореактивный двигатель с высокой степенью двухконтурности (степень двухконтурности — около 2:1).
• Тяга: 330 даН (337 кгс) на уровне моря.
• Удельный расход топлива: 0,65–0,70 кг/(даН·ч) на крейсерском режиме (M=0,7–0,8, высота 10–15 км).
• Степень сжатия: 7:1.
• Температура газов перед турбиной: 950–1000 °C.
• Ресурс: 100–200 часов (для одноразового применения — до 50 часов непрерывной работы).
• Масса: 72 кг (сухая).
• Габариты: диаметр — 330 мм, длина — 800 мм.

Двигатель рассчитан на работу в диапазоне высот от 0 до 15 км и скоростей от 0 до M=0,9. Запуск возможен на высотах до 10 км при температуре окружающего воздуха от -50 до +50 °C.

Применение

Основное применение двигателей F107 связано с крылатыми ракетами, где они обеспечивают длительный полёт на дозвуковых скоростях с высокой точностью.

Крылатые ракеты

• AGM-86 ALCM (США) — крылатая ракета воздушного базирования. Двигатель F107-WR-100/101 обеспечивает дальность полёта до 1300 км (с ядерной боеголовкой) и до 900 км (с обычной). Ракета состоит на вооружении ВВС США с 1982 года.
• BGM-109 Tomahawk (США) — крылатая ракета морского базирования. Начиная с версии Block II (1983 год) используется F107-WR-101/400. Дальность полёта — до 1600 км (Block III) и до 2500 км (Block IV). Ракета активно применялась в военных конфликтах, включая войну в Персидском заливе (1990–1991) и операцию «Буря в пустыне».
• AGM-84 Harpoon (США) — противокорабельная ракета. В варианте с турбореактивным двигателем (AGM-84D/E) используется F107-WR-400. Дальность — до 130 км (вариант воздушного базирования) и до 280 км (вариант наземного/морского базирования).
• AGM-158C LRASM (США) — перспективная противокорабельная ракета, разрабатываемая с 2010-х годов. Использует модификацию F107-WR-402.

Беспилотные летательные аппараты

Двигатель F107 также применяется в некоторых БПЛА, в том числе:

• BQM-74E Chukar — мишень-имитатор для тренировки ПВО.
• RQ-4 Global Hawk (экспериментальные версии) — в 1990-х годах рассматривалась возможность установки F107 на этот высотный БПЛА, но в серию пошла другая силовая установка.

Экспериментальные проекты

В 1980-х годах компания Williams International предлагала использовать F107 в качестве силовой установки для сверхлёгких самолётов и автожиров, однако эти проекты не получили развития.

Критика и ограничения

Основные недостатки двигателя F107 связаны с его конструктивными особенностями:

• Высокая стоимость — из-за малых габаритов и сложной технологии изготовления (прецизионное литиё, лазерная сварка) один двигатель стоит порядка 100–150 тысяч долларов США (в ценах 2020 года).
• Ограниченный ресурс — двигатель рассчитан на одноразовое применение (ракета) или на ограниченное число полётов (БПЛА). Для коммерческой авиации такие двигатели непригодны из-за низкого ресурса и высокой стоимости обслуживания.
• Чувствительность к засорению — в условиях эксплуатации с загрязнённым воздухом (например, вблизи земли) требуется защита входного устройства от посторонних предметов.

В России и других странах аналогичные двигатели (например, ТРДД-50А для крылатых ракет «Калибр») разрабатываются с учётом опыта F107, но имеют иные конструктивные решения и характеристики.

Интересные факты

• Двигатель F107 является одним из самых компактных турбореактивных двигателей в мире среди серийно выпускаемых. Его диаметр (330 мм) меньше диаметра стандартной автомобильной шины.
• В 1980-х годах на базе F107 был создан экспериментальный двигатель для сверхзвуковой крылатой ракеты (проект AGM-129 ACM), но он не пошёл в серию.
• Двигатель F107 используется в ракетах Tomahawk, которые находятся на вооружении ВМС США и Великобритании. По состоянию на 2024 год, произведено более 4000 таких ракет.

Источники

• Jane's Aero Engines, 2020. — Jane's Information Group.
• Gunston, B. World Encyclopedia of Aero Engines. — 5th ed. — Sutton Publishing, 2006.
• Williams International. Product Brochure: F107 Turbofan Engine. — 2019.
• United States Air Force. AGM-86 ALCM Fact Sheet. — 2021.
• United States Navy. BGM-109 Tomahawk Cruise Missile. — 2023.