Технологии взлета: как создавался научно-технический задел для двигателя ПД-14

Первый полет самолета МС-21-310 с двигателями ПД-14 стал одним из самых главных и ожидаемых событий уходящего года. Большой вклад в разработку ПД-14 — новейшего отечественного гражданского двигателя пятого поколения — внес Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»).

Об одном из самых масштабных проектов российского двигателестроения, решающем значении научно-технического задела и роли ЦИАМ в разработке конкурентоспособного двигателя рассказывает заместитель генерального директора по науке ЦИАМ Александр Ланшин.

— Александр Игоревич, чем была вызвана необходимость создания двигателей ПД-14?

— Изменения в экономике России в начале 90-х привели отечественное авиадвигателестроение к системному кризису. Россия была зажата в тисках новых экономических реалий, в том числе и в технологическом плане, — самый массовый отечественный пассажирский самолет Ту-154 проигрывал конкурентную борьбу своим западным аналогам — Boeing 737 и Airbus A320. Необходимо было создавать отечественный ближне-среднемагистральный самолет нового поколения. Главным преимуществом конкурентоспособного лайнера должен был стать новейший двигатель — ТРДД с высокой степенью двухконтурности. Однако было очевидно, что появление таких высокотехнологичных изделий, невозможно без создания соответствующего научно-технического задела (НТЗ).

— Когда началась работа над двигателем?

— В 1999 году по инициативе генерального директора ЦИАМ Владимира Алексеевича Скибина начинается разработка НТЗ в обеспечение создания нового ТРДД. Впоследствии он станет известен под названием ПД-14. На совещании руководителей предприятий авиационного двигателестроения в качестве базового объекта для разработки НТЗ наиболее выигрышным был выбран концепт двигателя тягой 12 тонн. Головной организацией по созданию НТЗ для этого двигателя был определен ЦИАМ.

— Как создавалась кооперация разработчиков?

— Для формирования кооперации разработчиков, было необходимо понимание, что создается. А стояла задача создания абсолютно нового двигателя, который в технологическом плане не наследовал практически ничего от двигателей предыдущих поколений. Поэтому для начала был необходим НТЗ, который по всем узлам и системам создавался фактически заново.

В соответствии с принятой к тому времени в ЦИАМ методологией девяти уровней готовности технологий, подтвердившей свою эффективность, работа началась с анализа и прогноза развития рынка силовых установок для перспективных узкофюзеляжных самолетов. Было показано, что ведущие авиадвигателестроительные компании Запада уже рассматривают проекты таких двигателей.

Так, в 1998 г. фирма Pratt &Whitney выступила с проектом ТРДД PW8000 с большой степенью двухконтурности и редукторным приводом вентилятора. В ответ объединение французской компании SNECMA и американской General Electric — CFMI — начало крупномасштабную программу создания НТЗ Tech56 для двигателей нового поколения, а объединение IAE несколько позже — программу VISTA. Во всех случаях основными целями разработок новых технологий являлось снижение затрат топлива, закупочной цены и стоимости технического обслуживания двигателя на 15-20% (по сравнению с ТРДД CFM56 и V.2500), снижение шума на 10 EPNдБ ниже норм Главы 4 стандарта ИКАО и эмиссии вредных веществ на 40 — 50% ниже норм стандарта ИКАО 2004 г.

С учетом этого в 1999 году ЦИАМ совместно с ЦАГИ разработал «Техническое задание на формирование технического облика базового ТРДД нового поколения для магистральных самолетов (как объекта опережающего НТЗ для перспективных двигателей гражданской авиации)». С этого момента проект создания двигателя начал «обрастать» кооперацией разработчиков.

— Каков был первоначальный облик двигателя ПД-14?

— В 2000-2002 годах ЦИАМ (руководители работ — А.И. Ланшин, В.В. Перец — отд. 301) при постоянном контакте с ОКБ и заводами (СНТК им. Н.Д. Кузнецова, «ОДК-Авиадвигатель», ММПП «Салют», НПП «Мотор», ЗМКБ «Прогресс», «Мотор-Сич») провел работу по выявлению облика узлов и наиболее актуальных ключевых технологий новых двигателей. Основным результатом этой работы стало определение технических обликов двух вариантов ТРДД — с редукторным и прямым приводом вентилятора. Кроме того, был разработан проект основных узлов, выявлены ключевые технологии создания перспективных конкурентоспособных двигателей.

— Как в дальнейшем развивался проект?

— В 2002 году Росавиакосмос утвердил программу создания научно-технического задела в обеспечение разработки ТРДД нового поколения для магистральных самолетов гражданской авиации. Ее основу составляли предложения по изготовлению и экспериментальной отработке модельных узлов и элементов, разработанных ЦИАМ.

С 2004 года началось государственное финансирование научно-исследовательских работ по созданию НТЗ и демонстраторов. В рамках госконтрактов ЦИАМ создал модели широкохордных малошумных вентиляторов, типовых высоконагруженных ступеней компрессора высокого давления, модельные шевронные сопла, реверсивные устройства и др. Параллельно шли фундаментальные и поисковые исследования в области газовой динамики, горения и теплообмена, твердого деформированного тела, прочности, надежности элементов ТРДД для решения сложных научных задач снижения шума и эмиссии вредных веществ, обеспечения конкурентоспособных ресурсов, повышения аэродинамической и газодинамической эффективности узлов и элементов новых двигателей.

В рамках НИР ЦИАМ совместно с ОАО «Авиадвигатель» (ныне — АО «ОДК-Авиадвигатель» — головной разработчик ПД-14) впервые достиг 4 — 5 уровней технологической готовности в результате создания экспериментальных узлов: полноразмерной кольцевой камеры сгорания, сверхвысокоперепадной одноступенчатой турбины, совместно с АО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» (ныне — ПАО «Кузнецов-ОДК») — экспериментальный редуктор, а также ряд других экспериментальных объектов.

Большая часть НТЗ, сформированного в указанных работах (при крайне ограниченном уровне финансирования) на 3 — 5 уровне технологической готовности, была использована при создании в 2010 году экспериментального газогенератора двигателя ПД-14.

— Как менялся облик с начала разработки к появлению опытного образца?

— На изменение технического облика газогенератора ПД-14 повлияло резкое повышение в 2006 — 2007 годах цен на авиационный керосин, который отныне стал основной статьей затрат в прямых эксплуатационных расходах по двигателям. Поэтому все ведущие двигателестроительные компании мира (в том числе в России) перешли на схему с двухступечатой турбиной высокого давления и более мощным газогенератором.

Значительное продвижение в плане создания НТЗ для перспективных отечественных двигателей было получено в 2009 — 2011 годы. Головным исполнителем стал АО " «ОДК» при активном участии ЦИАМ, ВИАМ, АО «ОДК-Авиадвигатель», «ОДК-УМПО», «ОДК-ПМ», производственного комплекса «Салют» «ОДК» и др. Именно в этот период формировалась кооперация предприятий по созданию ПД-14. В 2012 г. наработанный НТЗ был реализован при создании в рекордные для нашей страны сроки (3 года) демонстрационного двигателя по программе ПД-14.

Однако созданного НТЗ было недостаточно из-за слабого финансирования работ в период 2002-2008 годов. Оно было примерно в 20 раз меньше ежегодно затрачиваемых правительством США средств на создание НТЗ в области авиационного двигателестроения. Как следствие, в рамках ОКР по ПД-14 пришлось создавать «догоняющий» НТЗ. Вместе с тем, отставание в области гражданских авиационных двигателей начало сокращаться.

— Каков вклад ЦИАМ в испытания и сертификацию двигателя?

— В процессе инженерных и сертификационных испытаний узлов, элементов и двигателя в целом специалисты Института выполнили большой объем экспериментальных исследований, подтверждающих заявленные характеристики и безопасность нового двигателя. Были проведены испытания опытных двигателей ПД-14 в термобарокамере высотного стенда ЦИАМ. В процессе экспериментов выполнен полный комплекс исследований высотно-скоростных характеристик.

Параллельно на стендах Института шла поузловая доводка двигателя. Проведены уникальные прочностное испытание с обрывом лопатки вентилятора ПД-14 на специально модернизированном для этих целей разгонном стенде Т14-01. Совместно с «ОДК-Авиадвигатель» и ВИАМ выполнен комплекс экспериментальных работ по формированию банка данных по конструкционной прочности перспективных сплавов и композиционных материалов, чего раньше не было. Например, при сертификации ТРДД Sam146 в 2010 году в его конструкции не было ни одного российского материала по причине отсутствия их квалификации.

Общая работа получила промежуточный финиш 15 октября 2018 года: двигатель ПД-14 получил сертификат типа от Росавиации. Теперь ведется большая работа по валидации этого сертификата в EASA с одновременным снятием ряда эксплуатационных ограничений.

— Что дало самому ЦИАМ участие в таком крупном отраслевом проекте, на ваш взгляд?

— На этапе формирования НТЗ ЦИАМ показал, что он действительно является лидером в области авиационного двигателестроения. Хороший опыт получили наши молодые сотрудники, ставшие в дальнейшем ведущими специалистами по своим направлениям. Получила существенное развитие экспериментальная база Института — в первую очередь, база прочности, тураевские высотные и узловые стенды.

— В какие проекты по маршевым двигателям сейчас вовлечен ЦИАМ?

— В конце 2012 года ЦИАМ выступил на Экспертном совете по федеральной целевой программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» с предложением открыть НИР по обоснованию и формированию технического облика ТРДД большой тяги (более 30 тонн). Было получено одобрение ОАО «ОАК», которое уже вело предварительные переговоры с авиационным руководством КНР о возможности создания перспективного российско-китайского широкофюзеляжного двухдвигательного дальнемагистрального магистрального самолета (ШФДМС).

НИР была выполнена в 2014 — 2015 гг. Ее основным результатом стало техническое предложение по двигателю большой тяги, получившему впоследствии наименование ПД-35. Как и в случае ПД-14, этот документ стал основой для АО «ОДК-Авиадвигатель», которому в 2016 г. было поручено возглавить данный проект, начав с отработки 18 критических технологий. ЦИАМ продолжает активно участвовать в этой работе.

— В этом году ЦИАМ отметил 90-летие. Такое событие часто бывает поводом поностальгировать о начале профессионального пути. Каким он был у вас?

— В ЦИАМ я попал по совету куратора нашей группы в Московском авиационном институте, преподавателя газовой динамики на факультете «Авиационные двигатели» О.С. Сергеля. Он сказал, что самая интересная работа — в ЦИАМ, в отделе «Перспектив развития авиационных двигателей». Им тогда руководил д.т.н., профессор В.А. Сосунов. Когда я пришел на преддипломную практику, Владимир Аристархович спросил про мои оценки по математике и определил в сектор математического моделирования ГТД к Л.Н. Дружинину, о чем я никогда не пожалел.

— Какой был ваш круг обязанностей в Институте? Какой из проектов запомнился Вам больше всего?

— Через год после того, как я начал работать в ЦИАМ инженером, мне поручили задачу математического моделирования многорежимного двигателя пятого поколения. Это была настоящая школа. Я, мальчишка, на равных общался с ведущими узловиками Института, с представителями ОКБ. В дальнейшем, в соответствии с распределением обязанностей в секторе, занимался расчетными исследованиями двигателей РД-33, РД-33К, НК-32 и др. Факультативно начал работу над кандидатской диссертацией на тему «Математическое моделирование ТРДДФ с развитым регулированием проточной части», которую защитил в 1986 г.

После защиты начальник Института Д.А. Огородников направил меня начальником сектора в отдел, где развертывались работы по исследованиям и разработкам комбинированных силовых установок для перспективных авиационно-космических систем. Считаю этот этап наиболее ярким в моей научной практике. Он завершился в 2004 году защитой докторской диссертации.

С 1999 года началась активная деятельность по созданию НТЗ для перспективного двигателя ближнесреднемагистрального самолета. Как начальник отделения «Авиационные двигатели» я курировал эту работу: создавались модели новых элементов для экспериментальной отработки, подтверждалась правильность выбранных решений. В 2015 году я был назначен заместителем генерального директора по науке.

Ваши пожелания коллегам по случаю 90-летия ЦИАМ.