Авиационное двигателестроение: день вчерашний, сегодняшний и завтрашний

Научный руководитель – заместитель Генерального директора ЦИАМ Александр Игоревич Ланшин рассказывает о том, чем живет, о чем волнуется и на что надеется отечественное авиадвигателестроение сегодня.

В 2015 году ЦИАМ отметил свое 85-летие. Но юбилей – не только время вспомнить о прошлом, но и повод обдумать сегодняшнюю ситуацию в авиационном двигателестроении России.

Изменения в экономике России, произошедшие с начала 1990-х годов, привели к резкому сокращению закупок авиационных двигателей. Все это погрузило отечественное авиадвигателестроение в состояние системного кризиса и стало, наряду с недостаточным финансированием, причиной срывов намеченных планов. Но даже в самые трудные годы работа не прекращалась. Если говорить о последнем десятилетии (2005–2015 гг.), то к достижениям в реализации ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России в 2002–2010 и на период до 2015 года» следует отнести работы, завершившиеся сертификацией в 2009 г. вспомогательного ГТД ТА18-200 мощностью 365 кВт для Ту-204СМ, Ту-214, МТС и др., сертификацию модификаций ТРДД ПС-90А – ПС-90А1, ПС-90А2 и ПС-90А3, сертификацию ТРДД SaM146 в EASA и в АР МАК в 2010 г. (пускай и с опозданием на три года), а главное – развертывание работ по проекту ПД-14, первого отечественного двигателя 5-го поколения, с которого началось возрождение отрасли.

В период 2011–2015 гг. успешно осуществлена разработка, изготовление и проведение комплекса инженерных и доводочных работ на узлах, газогенераторах и демонстрационных двигателях в обеспечение создания и сертификации базового двигателя ПД-14 тягой 14 тонн для самолета МС-21-300 и как основы семейства гражданских двигателей тягой 9-18 тонн. Однако с учетом реального состояния дел срок сертификации перенесен с 2015 г. на 2017 г.

Основной недостаток организации работ по ПД-14 связан с тем, что к началу ОКР (2008–2009 гг.) из-за крайне недостаточного финансирования не был создан НТЗ по узлам и системам на 5–6 УГТ (уровень готовности технологии). В нарушение устоявшейся практики, свидетельствующей о том, что двигатель нового поколения создается в 1,5–2 раза дольше планера и других составляющих воздушного судна, ОКР по ПД-14 был начат на 3–4 года позже начала работ по МС-21 (2005 г.), причем в рамках ОКР по ПД-14 пришлось создавать «догоняющий», а не «опережающий», как во всем мире, НТЗ, что не позволило до сих пор затвердить типовую конструкцию двигателя, обеспечивающую выполнение всех требований технического задания.

Ведутся ли в ЦИАМ работы по созданию двигателя 6-го поколения? Что из себя будет представлять такой двигатель?

Чтобы знать, куда идти, надо наметить цели.  На сегодня сформулированы индикаторы развития, рассмотрены, направления развития, чтобы, к примеру, снизить удельный расход топлива на крейсерском режиме. Можно идти по пути повышения полетного КПД: это двигатели типа «открытый ротор», но при этом снижается удельная тяга, увеличиваются размеры, растет шум и вибрации. Можно идти по пути роста параметров цикла, но и здесь возможности увеличения эффективного КПД крайне ограничены. Мы можем выиграть чуть-чуть за счет сложных циклов с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и регенерации тепла при расширении. Наконец, есть суммирующий путь – это распределенные силовые установки. Но здесь уже при разработке необходима очень тесная интеграция с планером.

На основании этих выводов мы с 2011 года в рамках НИР «Двигатели 2025» проработали пять основных схем перспективных двигателей и совместно с предприятиями наметили программу действий по созданию технологий по отдельным узлам. На все пока нет сил и средств, но создана дорожная карта, по которой надо идти. Чтобы не произошло повторения ситуации с ПД-14, когда ОКР был начат при недостаточном НТЗ, необходимо проведение тесно скоординированной работы всех заинтересованных сторон по определению приоритетов развития гражданской авиационной техники и обеспечение скорейшего выхода работ по созданию НТЗ в области авиационных двигателей на УГТ = 4–6. Доля работ по отработке технологий для перспективных авиационных двигателей должна быть не менее 25–30% от общего объема работ по созданию НТЗ.

Каким критериям должен отвечать двигатель 6-го поколения?

К двигателям гражданского назначения 6-го поколения с уровнем совершенства, соответствующим 2025–2030 гг., предъявляются высокие требования как по топливной эффективности, так и по экологическим показателям. Так, например, они должны обеспечить:

• уменьшение удельного расхода топлива на 17–25 % (по сравнению с ПД-14);
• обеспечение запаса по уровню эмиссии NOx в 55-65 % относительно норм САЕР6 ИКАО;
• уменьшение уровня шума на 25–30 EPN дБ относительно норм Главы 4 ИКАО;
• уменьшение стоимости послепродажного обслуживания и производства на 30–40 %.

В качестве схемных решений для достижения поставленных целей рассматриваются:

• ТРДД с высоким и сверхвысоким значением степени двухконтурности с прямым или редукторным приводом однорядного или двухрядного вентилятора;
• турбовинто-вентиляторные двигатели («открытый ротор»);
• ТРДД с промежуточным охлаждением и регенерацией тепла;
• распределенные силовые установки;
• двигатели с гибридным приводом вентилятора (газотурбинный + электрический привод) и т. д.

Считают, что все двигатели 6-го поколения будут «электрическими», то есть с отсутствием отбора воздуха из тракта и электроприводными исполнительными механизмами, стартером-генератором на валу каскада высокого давления и генератором на валу каскада низкого давления, с интеллектуальной САУ, совмещенной с системой диагностики, которая обеспечивает контроль технического состояния и учет оставшегося ресурса.

Если многорежимные двигатели 5-го поколения являются двигателями фиксированного цикла, то двигатели 6-го поколения будут двигателями изменяемого рабочего процесса (ДИП), которые смогут обеспечить оптимальные характеристики в различных условиях полета. Именно в этом направлении ведутся НИР по созданию перспективных технологий.

Правильно ли сказать, что новейшие материалы являются ключевым моментом для перспективного двигателя любой схемы?

Надо понимать, что для разных целей нужны разные двигатели и разные технологии. Скажем, «открытый ротор» для дальнемагистральных самолетов (ДМС) не подходит. У него скорость ограничена числом Маха 0,78, максимум – 0,8, а нужно 0,85. Для ДМС надо наряду с ТРДД рассматривать распределенные СУ и двигатели со сложными циклами, у них хорошая экономичность, хотя они потяжелее. Выбор той или иной схемы двигателя во многом будет определяться и аэродинамической компоновкой самолета, и в этой работе без ЦАГИ никак не обойтись.

Поэтому НТЗ должен быть объектоориентированным. Для ТРДД большой тяги, к примеру, критическими технологиями являются углепластиковый вентилятор с композитным корпусом, компрессор с высокой степенью повышения давления, турбина низкого давления с большой долей неметаллов или интерметаллидов. И так по каждому типу двигателей. Самое широкое внедрение композитов предполагается в малоразмерных вертолетных ГТД. К этим двигателям в наибольшей степени подходит определение «неметаллический», «электрический» и «сухой», то есть работающий без системы смазки.

Когда реально появится такой двигатель?

Сейчас очень важно подготовить НТЗ для следующего этапа. Если это будет сделано, то на создание нового двигателя потребуется не более 5 лет. Но для разработки ТРДД большой тяги потребуются дополнительные затраты и усилия для создания производственной и испытательной базы, которых пока в России нет.

Когда-то СССР гордился созданием самых мощных в мире авиадвигателей. У нас в стране начинались работы по 40-тоннику. Есть ли шанс на возобновление работ в этом направлении и по силам ли нам этот проект технически?

Фактором, способствовавшим разработке двигателей большой тяги, стала потребность для самолетов гражданской и транспортной авиации совершать трансконтинентальные беспосадочные перелеты, для которых были необходимы высокоэкономичные двигатели. Первыми в этом классе были двигатели семейств JT9D (Pratt & Whitney), CF6-6 (General Electric) и RB211 (Rolls-Royce), появившиеся в середине 1960-х – начале 1970-х годов.

С тех пор технический уровень двигателей большой тяги неизмеримо вырос. Это привело к кардинальному улучшению экологических, ресурсных и экономических показателей, росту безотказности, снижению стоимости эксплуатации. В России такие двигатели в настоящее время не производятся и не разрабатываются.

Из анализа тенденций развития мирового рынка авиационной техники следует, что для достижения конкурентоспособности перспективные двигатели большой тяги (2025–2030 гг.) должны обеспечить:

• снижение уровня шума более, чем на 20 EPNдБ (по сравнению с нормами Главы 4 стандарта ИКАО);
• запас по эмиссии NOх в 60% (по сравнению с нормами САЕР/6);
• иметь наработку на выключение в полете более 300 тыс. часов, а к 2030 г. – 550 тыс. часов;
• ресурс основных деталей не менее 10–20 тыс. полетных циклов (при п.ц. – 8 часов);
• наработку на крыле более 15–20 тыс. часов;
• выполнение правил ETOPS (полет на одном двигателе для двигателей двухдвигательных самолетов) на 330 мин. (вместо 180 мин. у ПД-14);
• удельный расход топлива на 10-15% меньше по сравнению с уровнем двигателей 5-го поколения.

Создание удовлетворяющих этим требованиям двигателей невозможно без формирования НТЗ, включая разработку и исследование материалов и защитных покрытий нового поколения и конструкторско-технических решений, создание новых технологических процессов.

Кроме того, для экспериментальной отработки и испытаний ТРДД большой тяги, их узлов и модулей необходимо создание новых стендов, модернизация и реконструкция энергетического комплекса и технологических систем, обеспечивающих воспроизведение полетных условий, а также новой летающей лаборатории для их летных испытаний.

Таким образом, создание конкурентоспособных двигателей большой тяги является сложной наукоемкой и финансовоемкой задачей государственного масштаба, требующей концентрации усилий авиационной науки и двигателестроительных предприятий, опережающей отработки критических технологий, глубокой модернизации экспериментальной базы при активном совершенствовании методов исследований, проектирования и освоения новых технологических процессов.

Многие технологии, которые и сейчас называют перспективными, уже разрабатывались в СССР при активном участии ЦИАМ. Ту-155 на водороде и метане и Ми-8ТГ на газовом топливе летали еще 1980-е годы. На каком этапе сейчас работы по альтернативным топливам?

ЦИАМ выполняет исследования в лабораторно-стендовых условиях отечественных опытных образцов альтернативных жидких углеводородных топлив для авиационных двигателей из не нефтяного сырья (природного газа, угля, биосырья), а также авиационного сконденсированного топлива (АСКТ), получаемого из попутных нефтяных газов. Пока производство альтернативных жидких углеводородных топлив из природного газа, угля и биосырья, а также АСКТ в нашей стране отсутствует.

Для внедрения альтернативных топлив в авиатехнику необходимо выполнить следующий комплекс работ:

• разработать прогрессивные конкурентоспособные промышленные технологии производства альтернативных жидких углеводородных топлив для отечественной авиатехники;
• разработать нормативную документацию на альтернативные топлива для авиации;
• сертифицировать альтернативные авиатоплива для применения в отечественной авиатехнике;
• организовать наработку образцов альтернативных топлив;
• провести квалификационные испытания альтернативных топлив;
• после исполнения выше перечисленного, организовать стендовые и ресурсные испытания двигателей на альтернативных топливах.

Ту-144 стал первым в мире сверхзвуковым пассажирским самолетом (СПС). В институте ведутся работы по СПС нового поколения? Насколько реален этот проект с точки зрения двигателиста?

ЦИАМ не прерывал исследований силовых установок для СПС и сверхзвуковых деловых самолетов (СДС). Здесь существуют два основных направления. Если такой самолет будет востребован в ближайшей перспективе, скорее всего для СДС, то двигатель для него должен создаваться на базе существующих ТРДД, например, на базе РД-33 без форсажной камеры. Ключевыми проблемами в этом случае будут обеспечение экологических требований по шуму и эмиссии вредных веществ, а также по ресурсу двигателя, поскольку основную часть полета двигатель работает с максимальной температурой газа перед турбиной.

На более отдаленную перспективу рассматривается применение двигателей с изменяемым циклом (ДИЦ), использующих широкое регулирование элементов проточной части, чтобы на дозвуке двигатель работал с повышенной степенью двухконтурности, а в крейсерском сверхзвуковом полете – с пониженной степенью двухконтурности и высокой удельной тягой.

Расскажите о перспективах создания двигателей для гиперзвуковых ЛА.

В зависимости от назначения ЛА освоение больших сверхзвуковых скоростей полета связано либо с применением комбинированной силовой установки (КСУ), включающей, например, газотурбинный, прямоточный и ракетный двигатели, либо с применением только прямоточных воздушно-реактивных двигателей (СПВРД, ГПВРД).

В мировом сообществе работы в этом направлении ведутся более 60 лет, но далее создания демонстраторов для проведения стендовых и/или летных испытаний дело не идет. Связано это с теми сложными задачами, которые необходимо решить при создании многоразового ЛА, способного осуществлять продолжительный крейсерский полет (не менее часа) со скоростью, в несколько раз превышающей скорость звука.

В настоящее время наиболее приоритетной и сложной задачей в этом направлении является создание двигателя, способного обеспечивать продолжительный полет гиперзвукового ЛА. У ЦИАМ есть удачные наработки в данной области, получившие мировую известность, и мы продолжаем исследования в этом направлении.

Материал подготовлен пресс-службой ЦИАМ 
+7 (495) 362-20-69,
press@ciam.ru