От винта до гиперзвука: ЦИАМ – участник Международного форума двигателестроения 2018

Авиационный двигатель – один из самых наукоемких механизмов в истории техники. Без науки, фундаментальной и прикладной, создать его невозможно. Головной организацией по комплексным научным исследованиям и разработкам в области авиационного двигателестроения в России является Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»).

Международный форум двигателестроения 2018 (МФД-2018), который пройдет с 4 по 6 апреля 2018 года в г. Москва, – самое значимое отечественное отраслевое мероприятие разработчиков и производителей авиадвигателей, на котором они имеют возможность продемонстрировать свои последние достижения и разработки.

ЦИАМ является активным партнером и участником МФД. Специалисты Института выступят модераторами целого ряда тематических симпозиумов Научно-технического конгресса по двигателестроению, который пройдет в рамках Форума.

В этой статье речь пойдет об экспозиции Института на МФД-2018.

Сверхбортпроводник

«Электрификация» – одно из наиболее перспективных направлений авиастроения. В гибридной силовой установке, разрабатываемой ЦИАМ, электроэнергию для вращающих винты электромоторов, использующих эффект сверхпроводимости, вырабатывает электрогенератор с приводом от традиционного газотурбинного двигателя (ГТД), механически не связанного с винтами. Это решение обещает целый ряд преимуществ. 

Прежде всего, параметры и характеристики ГТД определяются исходя из условия обеспечения энергией электромоторов, вращающих винт, на крейсерском режиме полета и подзарядки батареи аккумуляторов. На режимах взлета и набора высоты, требующих повышения мощности, питание электромоторов осуществляется и от газотурбинного двигателя, и от аккумуляторной батареи.

Экономию даст и то, что для привода нескольких винтов можно использовать один ГТД. Кроме того, его можно спрятать в фюзеляже, что «облагородит» аэродинамику крыла.

Но для реализации подобных силовых установок необходимо добиться кардинального снижения удельной массы электрических машин и решить проблему их тепловыделения, которая обостряется с увеличением мощности. Решить ее поможет использование материалов, обладающих эффектом высокотемпературной (то есть не требующей охлаждения почти до абсолютного нуля) сверхпроводимости.

В основе разработки ЦИАМ – специальный проводник, охлаждаемый жидким азотом, который при температуре –196°С обладает эффектом практически нулевого сопротивления. В результате достигается высокий КПД и в перспективе уменьшаются массогабаритные характеристики двигателя – даже с учетом необходимого запаса жидкого азота на борту.

На первом этапе планируется создание демонстратора мощностью 500 кВт (680 л.с.). До сих пор еще никто в мире не устанавливал на самолет гибридной силовой установки такой мощности – да и в применении сверхпроводимости в авиационной технике дальше разговоров дело пока не идет.

По итогам испытаний на летающей лаборатории может быть принято решение о создании 19-местного самолета, для которого потребуется от 2 до 4 винтов со сверхпроводящими электромоторами.

Чистое электричество

Институт участвует и в работе по созданию чисто электрических ЛА. На беспилотниках (БЛА), одно- и двухместных самолетах проблема недостаточной эффективности аккумуляторов может быть решена использованием топливных элементов, в которых химическая энергия горючего – чаще всего это водород – превращается в электрическую в ходе электрохимической реакции с окислителем, минуя процесс горения. 

Именно в ЦИАМ был создан первый в стране летательный аппарат с водородными топливными элементами, который впервые взлетел в 2010 году. Это был БЛА «ЦИАМ 80». А в 2014 году совершил первый полет БЛА «ЦИАМ-Рекорд» с энергетической установкой на топливных элементах полностью отечественного производства.

На МФД-2018 Институт представит концепцию пилотируемого одно-двухместного самолета с электрической силовой установкой на базе водородных топливных элементов. На первом этапе будет использоваться газообразный водород под давлением, но уже идет работа над установкой с жидким водородом, что при той же массе и занимаемом габаритном объеме обеспечит больший запас водорода, а, следовательно, обеспечит бо́льшую продолжительность полета.

Взять в оборот

Создание редуктора современного авиадвигателя – сложнейшая научно-техническая задача. К примеру, в 1950-х гг. при разработке легендарного двигателя НК-12 в ОКБ Н.Д. Кузнецова для стратегических бомбардировщиков Ту-95 ключевым моментом в достижении успеха стало создание редуктора, способного передавать на винты мощность свыше 12 000 л.с. На Западе создать редуктор ТВД мощностью свыше 12 000 л.с. так и не смогли, и новейшие модификации НК-12 до сих пор остаются в этом отношении рекордсменами. Кстати, помощь в разработке того редуктора ОКБ Кузнецова оказывал именно ЦИАМ.

В настоящее время в ЦИАМ также ведутся работы над редукторами, о чем свидетельствует экспериментальный редуктор привода вентилятора перспективного ТРДД мощностью более 33 000 л.с. Гости МФД-2018 смогут увидеть его на стенде Института.

Со скоростью будущего

Работу на более далекую перспективу развития воздушного транспорта отражают экспонаты ЦИАМ, связанные с созданием силовых установок для освоения гиперзвуковых скоростей. В частности, модель гиперзвукового прямоточного ВРД (ГПВРД) на водородном топливе. Исследование этого ГПВРД ведется совместно с ЦАГИ, являющимся головной организацией от России, и консорциумом европейских партнеров в рамках международного проекта HEXAFLY-INT (High Speed Experimental Fly Vehicles – International), входящего в 7-ю Европейскую рамочную программу ЕС. 

Цель проекта – создание научно-технического задела для разработки пассажирского самолета на водородном топливе, способного летать со скоростями, соответствующими числам Маха до М=8, т.е. перелет между Москвой и, например, Сиднеем должен занять около 3 часов. Для проверки работоспособности этой концепции стендовый модуль ГПВРД был испытан на уникальном гиперзвуковом стенде Института. В ходе испытаний было зарегистрировано превышение тяги над аэродинамическим сопротивлением при имитации полетного числа Маха М=7,4.

Аддитивная керамика

Еще одна перспективная технология – использование в двигателях внутреннего сгорания высокотемпературных интеркерамо- и металлокерамоматричных современных композитных материалов нового поколения. 

На своем стенде ЦИАМ представит разработанные и изготовленные в Институте образцы шумопоглощающих пористых интеркерамоматричных композиционных материалов, детали поршневого и роторно-поршневого двигателя: цилиндр воздушного охлаждения, поршень, клапан и седло клапана, ротор, радиальные и торцевые уплотнения и др., в т. ч. изготовленные с использованием аддитивных технологий методом 3D-послойного отверждения.

Керамические композитные материалы имеют широкий диапазон рабочих температур (до 1850°С) и низкий коэффициент термического расширения, что позволяет изготавливать детали и узлы меньшей объемной массы с высокими прочностными характеристиками.

Использование деталей из материалов нового поколения в ДВС обеспечит снижение веса, расхода топлива, уменьшение вибрации, повышение удельной мощности и ресурса двигателя.

Углепластик в лопатках

Среди самых интересных экспонатов экспозиции ЦИАМ следует упомянуть модели широкохордной лопатки вентилятора из углепластика. Углепластиковые лопатки дают целый ряд преимуществ. 

«Масса полой титановой лопатки – 8 кг, а углепластиковой – 5,5 кг, – говорит начальник отдела динамики и прочности авиационных двигателей ЦИАМ Тельман Каримбаев. – А поскольку это вращающиеся массы, то в результате их снижения уменьшается нагрузка на диск, на вал, снижается ударное воздействие на корпус при обрыве лопатки. Подсчитано, что каждый килограмм экономии массы вентилятора приводит к снижению массы всего двигателя на 3,75 кг. А если двигатель легче, то снижается нагрузка на крыло, и его тоже можно облегчить».

В перспективном двигателе большой тяги ПД-35 (головной разработчик – АО «ОДК»), разработка которого ведется сейчас в России, без углепластика в лопатках уже не обойтись. Это критическая технология. 

«Вес вентилятора – это порядка 20% веса всего двигателя, – поясняет Тельман Каримбаев. – Лопатки вентилятора ПД-35 имеют длину около 1,1 м, диаметр вентилятора на входе – приблизительно 3 м, и в этом случае применение металлов приводит к недопустимому росту массы».

Углепластиковая лопатка ЦИАМ интересна тем, что для ее изготовления разработана технология, не имеющая аналогов в мире. В институте создан производственный участок, позволяющий создавать качественные лопатки различных типоразмеров, разработана методика расчета и испытаний подобных изделий. В настоящее время в связи с работами по ПД-35 в отрасли идет процесс выбора оптимальной технологии для освоения серийного производства лопаток вентилятора из углепластика. Следует отметить, что в условиях усиливающихся санкций отечественная разработка в этой области получает дополнительные преимущества по сравнению с зарубежными аналогами.

Разумеется, все интересное и важное, что покажет ЦИАМ на МФД-2018, в короткой статье перечислить невозможно, здесь мы рассказали только о некоторых разработках Института.

Чтобы увидеть будущее, не обязательно ходить в кино на голливудские блокбастеры. Технологии будущего – на стенде ЦИАМ.


Источник: журнал "Крылья Родины", № 3-4 за 2018 год.