Экспозиция ЦИАМ на МАКС-2015 представит авиадвигатели будущего
В период 2011–2015 гг. в ЦИАМ проводились комплексные исследования, направленные на определение возможных схем СУ самолетов гражданской авиации с началом эксплуатации в 2025–2030 гг. Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД) с безредукторным или редукторным приводом биротативного винтовентилятора (“открытый ротор“) дает определенные преимущества при использовании на перспективных региональных самолетах. ТВВД привлекает своей высокой топливной экономичностью, но обладает повышенным уровнем шума по сравнению с традиционным ТРДД. Одним из путей решения этой проблемы является проектирование толкающего биротативного винтовентилятора с разными диаметрами переднего и заднего винтов. В ЦИАМ был разработан винтовентилятор COMBY, который в условиях крейсерского полета обеспечил КПД 0,85 и позволил увеличить тягу на взлетном режиме на 13% относительно исходного варианта без повышения уровня шума. Модель ТВВД с открытым толкающим биротативным вентилятором представлена на стенде ЦИАМ.
Как показали исследования Института, в обозримой перспективе магистральным направлением в авиационном двигателестроении останется использование ТРДД традиционной схемы. Его совершенствование будет вестись по нескольким направлениям, в числе которых повышение степени двухконтурности, повышение параметров рабочего процесса, увеличение КПД узлов. Ключевым моментом реализации всех этих направлений является использование новых материалов. Перспективный авиационный двигатель будет “неметаллическим“, то есть изготовленным с использованием композиционных материалов (КМ). Применение КМ по сравнению с металлами позволяет снизить массу отдельных деталей на 10–50% и повысить долговечность узлов на 5–25%.
Принципиальное значение для всех двигателей с высокой степенью двухконтурности имеет применение лопаток и корпуса вентилятора из полимерного композиционного материала (ПКМ). Их планируется использовать не только в перспективных двигателях, но и в модификациях двигателей семейства ПД-14. В настоящее время в ТРДД ПД-14 применяется вентилятор с пустотелыми титановыми лопатками, разработанными при участии ЦИАМ. На МАКС-2015 можно увидеть созданный в Институте прототип широкохордной лопатки вентилятора из углепластика с накладкой из титанового сплава, масса которого составляет 65% от массы пустотелой титановой лопатки.
Значительный эффект в повышении эффективности ТРДД ожидается от применения керамических КМ в “горячей“ части двигателя. На стенде ЦИАМ можно увидеть неохлаждаемые лопатки соплового аппарата турбины из дисперсно-упрочненного КМ “Скелетон“, технология изготовления которых разработана совместно с ЦНИИМ, а также созданную в сотрудничестве с ВИАМ неохлаждаемую жаровую трубу камеры сгорания для малоразмерных двигателей из керамического КМ на основе углеродных волокон и карбид-кремниевой матрицы. Будут представлены и другие примеры использования КМ в узлах и деталях перспективных ГТД. На стенде ЦИАМ можно увидеть детали подшипника качения из керамического материала, узел редуктора привода вентилятора с подшипником скольжения, модель газодинамического лепесткового подшипника и много других изделий и КМ.
В соответствии с концепцией “сухого“ двигателя в ЦИАМ ведутся разработки газодинамических и магнитных подшипников, которые позволят уменьшить расход масла или вовсе устранить систему смазки отдельных узлов, а в перспективе — и всего двигателя. Эти меры позволят заметно снизить стоимость изготовления и эксплуатации двигателя, а также повысить надежность его работы.
Реализация перспективных систем автоматического управления (САУ) позволит перейти к построению “интеллектуального“ ГТД, в котором осуществляется активное управление процессом горения в камере сгорания, зазорами в лопаточных машинах, запасами газодинамической устойчивости в компрессорах и т.д. Одним из направлений совершенствования САУ является переход от централизованной к распределенной архитектуре построения, что позволит уменьшить количество радиальных линий связи за счет перехода к мультиплексным каналам информационного обмена, упростить поиск неисправностей и локализацию отказов. Основой создания распределенной САУ должны стать высокотемпературная элементная база, высокоскоростные информационные линии связи, исполнительные устройства и интеллектуальные датчики, в том числе беспроводные, образцы которых можно увидеть на стенде ЦИАМ.
В области малых мощностей (до 500 л.с.) ЦИАМ ведет работы по перспективным авиационным поршневым и роторно-поршневым двигателям (АПД И АРПД) для пилотируемых и беспилотных ЛА. В настоящее время АПД и АРПД (как бензиновые, так и дизельные) переживают ренессанс, и их развитие на период до 2030 г. связано с применением новых материалов и технологий, позволяющих снизить удельный вес и повысить ресурс двигателя. К 2030 г. за счет применения новых технологий при создании двигателей планируется снизить удельную массу АПД на 20–25%, удельный расход топлива на 15–20% и увеличить назначенный моторесурс в два раза к уровню 2010 г. Примером применения этих технологий послужат детали (поршни, клапан, шатун) модельного поршневого двигателя.
ЦИАМ является одним из мировых лидеров в разработке гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ГПВРД). Первые в мире успешные летные испытания осесимметричного ГПВРД, разработанного в институте при взаимодействии с промышленностью, состоялись 8 ноября 1991 г. в составе гиперзвуковой летающей лаборатории “Холод“. Работы в этом направлении продолжаются и сегодня. В ЦИАМ создан крупнейший в Европе стенд, позволяющий воспроизводить условия полета, соответствующие числам М=5–7,5. Компетенции ЦИАМ в этой области нашли применение в проекте HEXAFLY-INT 7-й Европейской рамочной программы. Проект предусматривает создание демонстратора высокоскоростного гражданского самолета будущего. Для стендовых испытаний в ЦИАМ был изготовлен модуль ГПВРД, входящий в состав демонстратора. В ходе испытаний модуля, работающего на водородном топливе, при имитации на стенде условий, соответствующих полетному числу Маха М=7,4, была зарегистрирована положительная тяга.
Работоспособный модуль ГПВРД станет, возможно, самым эффектным экспонатом на стенде ЦИАМ. Однако помимо вышеперечисленных изделий Институт представит десятки других интереснейших разработок: от пластинчатых теплообменников для перспективных ГТД со сложным термодинамическим циклом до средств диагностики существующей вертолетной техники.
