70 лет между самолетом и двигателем

«Самолётный» – так немного романтично называют этот отдел в Центральном институте авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ). Старожилы отрасли еще часто именуют его «циамовским ЦАГИ», причем безо всякой иронии. В отделе оценки эффективности применения силовых установок (СУ) на летательных аппаратах (ЛА) их проектные параметры «стыкуют» с параметрами двигателя, на этапе концептуального проектирования формируются наиболее эффективные способы взаимодействия и управления между СУ и ЛА. И, как оказалось, с легендарным «коллегой» самолетный отдел ЦИАМ роднит не только круг выполняемых задач.

В 2018 году ключевое для Института подразделение празднует сразу два юбилея – 110 лет со дня рождения своего создателя Ильи Флорентьевича Флорова, разработавшего теоретические основы методов оценки эффективности применения двигателей на летательных аппаратах, и 70 лет с момента основания отдела.

О том, какую роль он играет в работе отрасли, свидетельствуют развешанные на стенах благодарственные письма, поздравительные адреса и занявшие место в витринах подарки к различным юбилеям «самолётной ячейки» большой научной семьи ЦИАМ.

Мы беседуем с Олегом Дмитриевичем Селивановым — ведущим специалистом, посвятившим 50 лет своей жизни работе в отделе и около 20 из них руководившим им.

– Олег Дмитриевич, 70 лет с момента основания «самолётного» отдела Института и 110 лет со дня рождения И. Ф. Флорова — важные даты в истории развития отечественной авиации. Что они значат для Вас?

– Для меня эти юбилеи значимы втройне: 50 лет моей жизни связаны с деятельностью отдела оценки эффективности силовых установок летательных аппаратов. На годы моей работы пришелся и период наивысшего расцвета отдела, востребованности его коллектива, и пресловутые тяжелые 90-е, когда были утрачены гораздо более могучие научные школы.

Мы сохранились и в последние полтора-два десятилетия не раз демонстрировали свою состоятельность при выполнении наиболее важных отечественных разработок и участии в ряде зарубежных программ.
В отличие от других подразделений Института, изначально назначенных на роль арбитров в соответствующих сферах, мы не монополисты в своей области деятельности — в решении задач на стыке самолета и двигателя. Тем не менее мы нередко выступали конкурентами ЦАГИ, ГосНИИАС, ЦНИИ-30 и нам удавалось отвоевать у них свое место под солнцем. Недаром «старые» авиаторы даже называли отдел «циамовским ЦАГИ».

– В ЦАГИ работают подразделения, отвечающие за формирование облика самолета и требований к его основным системам, включая силовую установку. В чем сходство и различия их и вашей работы?

– Цикл появления двигателя занимает около 10 лет. Это в полтора раза превосходит сроки создания самолёта. Поэтому конечные требования к летательному аппарату формируются уже после того, как двигателисты представят предварительный облик двигателя в соответствии с требованиями. Конечно, создавать и проектировать силовую установку в отрыве от приблизительного облика самолета невозможно. Поэтому окончательный прототип двигателя под конкретный самолет создается при непосредственном участии самолетчиков. Производится предварительный этап внешнего проектирования двигателя, определяются его основные проектные характеристики: размерность и параметры рабочего процесса. В дальнейшем они могут неоднократно корректироваться и уточняться, но правильное своевременное определение облика перспективного двигателя позволяет создать необходимый задел по нему к моменту начала проектирования самолета.

На первых же стадиях внешнего проектирования самолета основной целью является выбор его схемы, определение основных размеров и параметров. Из тех, что непосредственно относятся к двигателю, прежде всего определяется величина тяговооруженности самолета, то есть необходимая размерность двигателя.

Причем самолетчики обычно не склонны к компромиссам, если для некоторого смягчения сформированных ими требований к двигателю необходима корректировка выбранных проектных параметров самолета. Приведу пример. В 1980-х годах и у нас, и в США (программа ATF) развернулись работы по новому поколению сверхзвуковых многорежимных самолетов и двигателей для них. Была поставлена цель в качестве главного прорыва по отношению к самолетам предыдущего поколения обеспечить радикальное повышение экономичности сверхзвукового полета. На Западе эту цель обозначили в виде лозунга: «На сверхзвуке – без форсажа!». Предполагалось, что в результате комплекса мер по совершенствованию самолета появится возможность понизить требования к величине потребной тяги на режиме сверхзвукового крейсирования, а прогресс в двигателестроении приведет к повышению температуры газа перед турбиной и в результате – к увеличению тяги на режиме «максимала».

Наши самолетчики восприняли упомянутый лозунг как непременное условие повышения бесфорсажной тяги двигателя чуть ли не до уровня тяги полного форсажа, что потребовало бы немыслимого повышения температуры газа перед турбиной. Попытки двигателистов выяснить, какой вклад в решение проблемы «сверхзвука без форсажа» внесет аэродинамика самолета, встречали непонимание самолетчиков и расценивались ими как стремление вторгнуться в чужую зону ответственности. Дебаты вокруг данного вопроса, где наш отдел выступал главным оппонентом аэродинамиков известных авиационных организаций, продолжались несколько лет, пока ценою больших усилий все же не был найден компромисс.

– А какие еще трудности возникали в непосредственной работе с самолетчиками?

– Несмотря на взаимоуважение, в наших отношениях с коллегами-самолетчиками из ОКБ и ЦАГИ нередко возникали довольно острые ситуации, особенно когда что-то не ладилось. Обычно руководители самолетных организаций, которым хотелось представить двигатель одним из рядовых комплектующих элементов самолета, при этом недовыполняющим определенные параметры, иногда искренне, а порой не без лукавства пытались списать на двигатель все выявившиеся проблемы, особенно недоборы в летных данных. Разобраться в реальной ситуации бывало очень трудно, так как получить доступ к полным результатам летных испытаний было практически невозможно.

– Можете ли привести примеры?

– Мне вспоминается эпизод с одним самолетом четвертого поколения. При его доводке никак не удавалось обеспечить заявленную максимальную скорость полета, на чем категорически настаивал Заказчик и в чем разработчики самолета обвиняли двигателистов. Я начал разбираться, в чем причина недобора, и пришел к выводу, что самолет виноват не меньше двигателя. Передал материалы начальнику ЦИАМ С.М. Шляхтенко, а тот – в Минавиапром. По требованию руководства ОКБ им. А.И. Микояна была образована представительная комиссия для разоблачения «инсинуаций» ЦИАМ. В нее вошли специалисты ЦАГИ, ОКБ, ЛИИ им. М.М. Громова и от ЦИАМ – я. В январе 1983 года мы полетели во Владимировку, где самолет проходил окончательные испытания. Здесь вся комиссия каждое утро отправлялась на аэродром, а меня задерживали в бюро пропусков якобы из-за каких-то неточностей в оформлении документов. Я так и не попал на испытания, но вечерами в гостинице продолжалось обсуждение дневных полетов, и постепенно члены комиссии из ЦАГИ и ЛИИ стали склоняться на мою сторону. Вернувшись в Москву, мы продолжили вместе разбираться в проблеме: в течение года я ездил в ЛИИ как на работу. В конце выпустили совместный отчет, в котором было сказано: 1/3 вины двигателя и 2/3 – самолета. Целый год этот отчет пролежал в ЦАГИ. Затем полтора года он согласовывался в ОКБ им. А.И. Микояна. Когда острота вопроса спала, со мной связался главный аэродинамик микояновского ОКБ и сказал: «Дело прошлое. Я отчет согласую, а ты больше шум не поднимай». К этому времени заказчики убедились, что самолет получился прекрасный, и вынуждены были согласиться с теми летными данными, которые реально могли быть обеспечены. А со всеми членами комиссии мы остались большими друзьями.

– Каким был Ваш путь в науку?

– До прихода в ЦИАМ, после окончания ХАИ по специальности «Двигатели ЛА» (ЖРД), мне довелось поработать экспериментатором в Институте механики АН УССР, основанном всемирно знаменитым прочнистом и механиком С.П. Тимошенко. Потом я стал конструктором и прочнистом в ОКБ А.Э. Нудельмана. Придя в самолётный отдел ЦИАМ, я увидел, что мой разнообразный предыдущий опыт — не зря потерянное время, а полезный «инструментарий» для решения комплексных многодисциплинарных задач.

– С кем из ведущих специалистов отрасли Вам приходилось работать?

– С очень многими. Яркие воспоминания оставили в моей душе большинство генеральных и главных конструкторов двигателе- и самолетостроительных ОКБ и руководителей отраслевых НИИ. Длительный период времени мне посчастливилось работать с рядом крупных авиационных специалистов, руководивших тематическими направлениями в данных организациях. Но на газетной странице, пожалуй, не хватит места перечислить хотя бы тех, кого уже, к сожалению, нет с нами.
Конечно, в этом ряду видное место занимают и руководители, ведущие ученые ЦИАМ: С.М. Шляхтенко, Д.А. Огородников, В.А. Скибин, А.А. Шевяков, И.А. Биргер, В.А. Сосунов, В.М. Акимов, К.В. Холщевников, С.А. Сиротин, М.М. Цховребов, А.С. Новиков, а также многие ведущие сотрудники тематических подразделений Института, не исключая наш отдел.

– Могли бы привести примеры плодотворного научного сотрудничества?

– Многолетняя история тесного взаимодействия связывала самолётный отдел ЦИАМ и кафедру теории авиадвигателей ВВИА им. Н.Е. Жуковского. Сотрудничество с этой кафедрой, основанной Б.С. Стечкиным и впоследствии представленной крупнейшими отечественными учеными-двигателистами Ю.Н. Нечаевым, В.Ф. Павленко и другими, способствовало развитию многих научных идей.

На кафедре 17 ВВИА раньше других в стране стали развиваться инженерные методы оценки эффективной тяги двигателя с учетом потерь в воздухозаборнике и сопле и методы многофакторной оптимизации сложных систем. Наш отдел одним из первых стал проводить многодисциплинарные концептуальные исследования СУ в составе ЛА.
О плодотворности сотрудничества свидетельствует тот факт, что сотрудниками кафедры (только на моей памяти!) было защищено семь докторских диссертаций, в той или иной степени основывающихся на результатах совместных работ. В числе защитившихся и ведущие специалисты ЦИАМ: руководитель отделения авиационных двигателей А.В. Луковников и начальник отдела этого подразделения А.С. Полев.

– Какими качествами должен обладать ученый, занимающийся вопросами интеграции СУ и ЛА?

– Решение концептуальных системных задач требует от исследователя и широкого кругозора, и «вкуса» к знакомству со многими смежными проблемами, даже на уровне верхоглядства. Вспоминая известную шутку корифея-прочниста И.А. Биргера (о специалистах, имеющих высшее образование, но не имеющих среднего), можно сказать то же самое о «системотехнике»: он должен иметь не только высшее образование, но и хорошее среднее, то есть широкий кругозор и здравый смысл при оценке сложных явлений.

Помню, однажды Илья Флорентьевич мне сказал: «Учтите, в нашей области может работать далеко не каждый талантливый ученый. Системный анализ требует особого подхода и склада характера». Тогда я не придал большого значения этим словам, но позднее не раз убеждался в их правоте.

Ошибку допускает исследователь, который придает гипертрофированное значение одному или части значимых показателей, не трудясь составить полную картину, и принимает на их основе решение. Так что системное мышление и анализ – два важнейших качества ученого, отвечающего за решение концептуальных задач.

– А могли бы вспомнить примеры из своей практики?

– Конечно! Создание самолета Ту-144 в 70-е годы считалось важнейшей государственной задачей и шло в негласном соревновании с англо-французской командой разработчиков аналогичного сверхзвукового пассажирского самолета (СПС) «Конкорд». Одним из главных показателей нашего превосходства представлялось преимущество в величине аэродинамического качества (в «аэродинамическом КПД»), которое у Ту-144 составляло К=8,1 против К=7,8 у зарубежного конкурента. При этом не было учтено, что при похожих взлетных массах и коммерческих нагрузках площадь крыла у нас была на 40% больше (507 и 358 квадратных метров), поэтому за качество приходилось платить соответствующим увеличением массы конструкции и абсолютной величины силы аэродинамического сопротивления. Последнее обстоятельство потребовало двигателя большей размерности (Rо=17,5…20 тс у Ту-144 и ~14...16 тс у «Конкорда»). В результате ни один из двух специально созданных альтернативных отечественных двигателей (НК-144 и РД-36-51А) с уникальными для своего времени параметрами (в том числе и КПД) не смог обеспечить самолету приемлемой топливной экономичности, что в большой степени негативно отразилось на коммерческой эффективности проекта. В то время как «Конкорд» более 20 лет эксплуатировался на трансатлантических трассах.

Второй пример приведу из истории создания двигателя, чтобы самолетчики не сочли, что все мои «камни» — в их «огород». Создавался двигатель нового тогда, четвертого, поколения – ТВ7-117С, в конкуренции с аналогичным двигателем предыдущего поколения ТВ3-117ВМС-СБМ1 – запорожской модификацией вертолетного двигателя ТВ3-117ВМ. Все силы двигателестроительной науки страны были брошены на обеспечение КПД элементов двигателя ТВ7-117, достойных уровня четвертого поколения. Но из внимания разработчиков ускользнул тот факт, что потери полного давления в кольцевом осесимметричном (относительно вала винта) воздухозаборнике двигателя «съедают» все преимущества высоких КПД, в результате чего запорожский двигатель с вынесенным относительно оси входом на самолете заметно выигрывал у своего более современного конкурента.

Оба примера свидетельствуют о допускаемой иногда недооценке даже крупными специалистами роли согласованности проектных параметров летательного аппарата и его СУ, что в итоге может привести к неудаче проекта. Хотя, безусловно, большинство главных конструкторов, имеющих за плечами ряд реализованных работ, это хорошо понимают. Мне очень понравилось, как выразился в недавнем интервью один известный генеральный конструктор: «Самое главное в авиационных комплексах – умение интегрировать, объединять системы в единый продукт. Научиться производить отдельные компоненты намного проще, чем научиться интегрировать сложные авиакомплексы». Думаю, что распространение понимания важности умения интегрировать авиационные системы в единый продукт возросло во многом благодаря деятельности нашего отдела.

– Вы как раз затронули тему следующего вопроса. Почему самолётный отдел в ЦИАМ появился только через 18 лет с момента создания Института?

– На интуитивном уровне понимание важности согласования параметров летательного аппарата и его силовой установки существовало еще на заре развития авиации. Однако неготовность промышленности создавать подсистемы с заданными свойствами, отсутствие достаточно точных вычислительных методов получения характеристик отдельных узлов (их математических моделей) и слабость вычислительной техники не позволяли в полной мере решать интеграционные задачи.

Решению комплексной многодисциплинарной многокритериальной задачи формирования облика СУ в составе ЛА, выбора ее проектных параметров, законов и программ управления способствовало создание программных комплексов автоматизированного проектирования. Указанные комплексы создавались с конца 1960-х – начала 1970-х гг. во многих организациях, что способствовало более глубокому пониманию процесса проектирования, разработке методов решения многих частных задач, методов многофакторной многодисциплинарной оптимизации, исследования операций. В результате искусство проектирования сложных систем стало в значительной степени наукой.

– Приведите пример какой-нибудь крупной работы отдела в русле развития научной школы ЦИАМ.

– В 1970 – 1980-х гг. под научным руководством ЦИАМ с участием коллективов и отдельных специалистов двигательных ОКБ и соответствующих кафедр авиационных вузов создавалась отраслевая система автоматизированного проектирования двигателя — САПР-ГТД. Эта система состояла из комплекса подсистем трех уровней: «Летательный аппарат», «Двигатель», «Узлы двигателя». То есть последовательно, в циклическом итерационном процессе, по техническому заданию на самолёт формировалось ТЗ на двигатель, затем технические условия на проектирование узлов, а потом и оптимального облика узлов и систем двигателя.

Каждая из этих подсистем явилась итогом многолетнего развития соответствующего научного направления, с использованием достижений из смежных областей науки и авиационной техники. Наш отдел стал одним из основоположников процесса создания отраслевой САПР-ГТД; результаты работы были положены в основу подсистемы «Летательный аппарат». Такие работы начались в ЦИАМ с приходом в Институт И. Ф. Флорова и сегодня продолжены многими его последователями.

Стоит отметить, что работы отдела, выполненные в 1984 – 1985 гг. в рамках создания отраслевой САПР-ГТД, были удостоены серебряной медали и второй премии имени Н. Е. Жуковского.

– Расскажите об основных научных трудах специалистов отдела.

– Это прежде всего фундаментальные статьи Ильи Флорентьевича и его соратников — В.И. Бабарина, О.К. Югова, Н.В. Пилипец, Г.В. Васильева, Н.П. Дулепова, А.А. Максимова, Б.Н. Коральник. Работы посвящены основным принципам разрабатываемой методологии и примерам ее применения. Выпущено несколько монографий (в том числе написанные в соавторстве с коллегами из других подразделений Института), две из которых переизданы в Китае. Ряд актуальных статей написан совместно с зарубежными партнерами по работам в рамках европейских программ.

– Перейдем от фундаментальной науки к практическим разработкам.

– На протяжении всей своей истории отдел был полноправным участником всех программ создания отечественных авиационных двигателей: от первых реактивных до разрабатываемых ныне двигателей пятого поколения. Результаты основных этапов и направлений нашей деятельности использовались во многих важнейших проектах, осуществляемых авиапромышленностью страны.

В 1950-е годы мы анализировали области эффективного применения воздушно-реактивных и ракетных двигателей на летательных аппаратах, разрабатывали инженерные математические модели двигателей, ЛА и динамики их полета. В 1960-е, в период освоения ЭВМ и современных методов математического моделирования, велась перестройка методов исследования на машинные, закладывался фундамент циамовской САПР. Проводились исследования эффективности применения комбинированных двигателей для гиперзвуковых ЛА.

В 1970-е одной из главных задач отдела стало исследование облика, параметров и характеристик двухконтурных турбореактивных двигателей для дозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета. В 1980-е мы занимались созданием нулевого уровня отраслевой САПР (формирование концепции и разработка ТЗ на двигатель) для силовых установок самолетов и вертолетов. Отдел также разрабатывал имитационные «динамические» математические модели «СУ-ЛА» для решения задач управления силовыми установками самолетов вертикального (короткого) взлета и посадки. В 90-е развернулось широкое сотрудничество с фирмами Европы и Азии. В этот период мы занимались исследованиями СУ сверхзвуковых пассажирских самолетов второго поколения с учетом технико-экономических и экологических критериев. В 2000-х были начаты исследования эффективности СУ нетрадиционных сложных схем для самолетов интегральных аэродинамических компоновок. Так что через деятельность отдела можно проследить послевоенную историю развития всей отечественной авиационной промышленности.

– Приходится ли Вам сталкиваться с изменением подходов, парадигм в решении задач?

– Конечно. Особенно, если говорить об оптимальном автоматизированном проектировании. Представление об относительной легкости получения рационального решения при формировании облика авиационных комплексов обманчиво. Иногда даже квалифицированные специалисты-системотехники «со стороны», лишь поверхностно знакомые с реальной практической проблемой, на основании чисто формального подхода берутся за ее решение. Особенно это свойственно вузовским сотрудникам и выходцам из академических институтов. Это может быть оправдано в учебных целях, когда необходимо продемонстрировать основные взаимосвязи элементов системы и простейшие алгоритмы решения задачи с использованием простых математических моделей. Простейшие регрессионные зависимости могут использоваться и в процессе реального проектирования, но здесь требуется участие соответствующих специалистов из различных организаций — для квалифицированного контроля результатов.

Поэтому очень важная и организационно технически сложная задача, которую приходится решать нашему отделу, — создание кооперации специалистов. Она складывалась на протяжении всех 70 лет существования подразделения, где наряду с учеными многих тематических отделов Института представлены наши коллеги из основных отделений ЦАГИ, других институтов авиапрома, самолетных и двигательных ОКБ.

Только благодаря такому неформальному партнерству самолётный отдел ЦИАМ продолжает сохранять статус «циамовского ЦАГИ», решая многообразные задачи на стыке самолета и двигателя.

– Над какими проектами отдел работает сегодня и с каким настроением встречает завтрашний день?

– Сегодня отдел переживает очень сложный период, что обусловлено и в полной мере затронувшей нас внутренней реструктуризацией, и происходящей среди ведущих специалистов сменой поколений и, несомненно, уменьшением количества масштабных задач, решаемых авиапромом.

В 2015 году руководитель отдела А.В. Луковников, курировавший ряд крупных работ, пошел на повышение и возглавил одно из главных отделений Института.

В 2017 году на базе одного из наших секторов в ЦИАМ был образован специализированный отдел, который перенял эстафету по решению задач вертолетных, гибридных и электрических СУ. В течение последнего десятилетия мы успешно возрождали вертолетное направление, утраченное в 90-е годы, а также были в числе первопроходцев в перспективной тематике гибридных и комбинированных авиационных силовых установок. Именно работами по этой тематике мы привлекли к ней внимание руководителей ряда министерств, ведомств и были отмечены дипломами различных выставок, включая медаль и премию АССАД им. Н.Д. Кузнецова, Гран-при 6-й международной выставки «Авиакосмические технологии, Казань – 2012».

Сегодня мы продолжаем активно участвовать и в решении задач по совершенствованию создаваемых в стране традиционных ТРДД, и в многочисленных исследованиях перспективной тематики (нетрадиционные источники энергии для авиации, альтернативные топлива, двигатели сложных схем, СУ, интегрированные с летательным аппаратом).

Наш научный потенциал – в кадрах. Руководитель отдела А.М. Исянов, его заместитель П.А. Рябов, а также основные руководители направлений деятельности А.А. Мирзоян, Д.Б. Фокин и А.С. Ершов имеют опыт участия в решении сложнейших интеграционных задач. К слову сказать, в перечне наиболее значимых дат популярного справочника-календаря по авиации, который вы найдете на столе у многих авиационных специалистов, есть и отражение работы отдела – первый в стране полет экспериментального сверхлегкого БПЛА ЦИАМ-80 с силовой установкой на водородных топливных элементах, совершенный 4 ноября 2010 года в честь 80-летия Института.

Словом, наш коллектив с оптимизмом смотрит в будущее и полон решимости: пока в стране разрабатываются самолеты и авиационные двигатели, мы готовы содействовать их рациональному согласованию для удовлетворения многодисциплинарному комплексу самых высоких перспективных требований.