Авиадвигателестроительная наука: история и перспективы. К столетию гражданской авиации России
Сто лет назад, 9 февраля 1923 г., было положено начало появлению в нашей стране собственного воздушного флота. Трудно переоценить в его становлении роль науки, прозорливо задающей векторы развития авиационной техники.
Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского") 3 декабря 2022 г. отметил 92-летие. История головного НИИ авиадвигателестроения тесно связана с историей отечественной авиации.
Первые советские авиамоторы
Образование в 1930 г. ЦИАМ заложило под фундамент авиадвигателестроения научную базу. Уже через год в ЦИАМ А.А. Микулиным был создан бензиновый поршневой авиадвигатель М-34, по ряду характеристик превосходивший западные моторы (в частности, БМВ-6), в 1936-м - дизель АН-1 (А.Д. Чаромский). М-34 и АН-1 легли в основу семейств серийных двигателей многих самолетов и дали начало целой серии модификаций. В 1936-37 гг. на АНТ-25, оснащенном модификацией М-34, были совершены рекордные беспосадочные перелеты. На ЦИАМ была возложена доводка и подготовка двигателей. Руководитель этих работ в ЦИАМ К.В. Минкнер позднее возглавил моторную тематику ОКБ А.Н. Туполева в должности заместителя А.Н. Туполева по силовым установкам (СУ).
Наряду с опытным моторостроением ЦИАМ вел исследования рабочего процесса в двигателях, маслосистемы, динамики и прочности, топлив и масел, решал проблемы высотности.
В этот период активно строились заводы, создавались ОКБ. Руководителями ряда ОКБ были назначены работники ЦИАМ.
К 1935 г. главной задачей ЦИАМ стали научно-техническая и экспериментальная поддержка промышленности и определение перспектив развития двигателестроения.
В 1936 г. институт разработал первый отечественный 5-летний план развития опытного моторостроения. К тому времени СССР прочно вошел в число авиадержав.
К началу 1940-х гг. наша авиация располагала мощными двигателями жидкостного и воздушного охлаждения. М-34, М-35 и М-38 (А.А. Микулин), М-100 и М-103 (В.Я. Климов), М-25, М-62 и М-62ИР (А.Д. Швецов) позволили создать ряд весьма совершенных для того времени боевых и гражданских самолетов.
С началом войны деятельность ЦИАМ была переориентирована на оперативную помощь фронту. В эти суровые годы АМ-42, ВК-105, ВК-107, АШ-82, дизель АЧ-30Б и другие моторы стали надежным подспорьем советской авиации. Заслуги ЦИАМ в годы войны в 1945 г. были отмечены Орденом Ленина.
Эра реактивных скоростей
Послевоенный период (1945-1953) характеризуется уходом поршневых двигателей на второстепенные позиции и бурным развитием реактивной техники. Выдвижение на первый план ГТД явилось закономерным следствием роста требуемых скоростей полета и вытекающей из этого необходимости непрерывно повышать энерговооруженность ЛА без увеличения относительного веса СУ. Разработку теоретических основ и принципиальных схем воздушно-реактивных двигателей, к числу которых относятся и авиационные ГТД, ЦИАМ начал еще до войны. В последние годы войны ЦИАМ и ЦАГИ уже вели обширные исследования схем ГТД: турбореактивных, турбовинтовых (ТВД), двухконтурных (ТРДД) и комбинированных СУ.
Примерно к 1946 г. газотурбинная тематика стала основным направлением деятельности ЦИАМ. Результаты исследований создали базу для широкого развертывания ОКР. Были выявлены целесообразные области применения различных типов ГТД, основные закономерности обеспечения характеристик двигателей, законы и схемы управления ими, разработаны методы расчета на прочность и т. п.
Серийное производство реактивных двигателей в СССР началось в 1946 г. с РД-10, созданного на базе трофейного Jumo 004. Исследования, проведенные в стенах ЦИАМ, позволили А.М. Люльке быстро довести до ума реактивный двигатель ТР-1 в рамках Опытного завода № 165 (ныне - ОКБ им. А. Люльки - филиал ПАО "ОДК-УМПО"), и в 1947 г. в серию вышел первый отечественный турбореактивный двигатель. ТР-1 показал лучшую экономичность, чем Jumo 004, при большей тяге и меньшей массе.
К 1 мая 1947 г., когда реактивные самолеты впервые пролетели над Красной площадью, уже было выпущено значительное количество самолетов Як-15 с двигателем РД-10 тягой 900 кг. Разработкой мотора руководил В.Я. Климов, испытания и доводка прошли при активном участии ЦИАМ.
Росла потребность в пассажирских и транспортных самолетах с дозвуковыми скоростями 500-900 км/ч. Исследования показали, что наиболее эффективны для них ТВД и ТРДД. В ОКБ Н.Д. Кузнецова разработали уникальный ТВД НК-12 (Ту-114, 1954), рекордсмен по мощности - 12-15 тыс. л.с. Для обеспечения экономичности и прочностных характеристик этот двигатель, как и другие, прошел испытания на высотном стенде ЦИАМ.
В ОКБ А.Г. Ивченко созданы простые по конструкции и надежные ТВД: АИ-20 (7250 л.с., Ил-18, Ан-10), АИ-24 (2400 л.с. Ан-24 и др.).
Ту-104 в 1956-58 гг. был единственным в мире эксплуатирующимся реактивным пассажирским лайнером. Его "сердцем" был АМ-3, самый мощный ГТД второго поколения (определение "поколения" тоже "родом" из ЦИАМ).
Бурный рост вертолетостроения вызвал потребность в создании вертолетных ГТД.
Разработка большого числа типов двигателей требовала глубокого изучения процессов, происходящих в ГТД и их элементах в широком диапазоне рабочих условий. Вклад ЦИАМ, совместно с ОКБ, заключался в уникальности научно-технических решений: впервые в мире внедрены сверхзвуковые ступени компрессоров, созданы двигатели с минимальным числом ступеней турбокомпрессора, ТРД и ТВД с рекордными значениями тяги и мощности.
Для испытаний принципиально новых двигателей 23 октября 1953 г. в подмосковном Лыткарино был создан филиал института - Научно-испытательный центр ЦИАМ. И сегодня он является одним из немногих исследовательских центров мира, способных обеспечить экспериментальную отработку технологий для перспективных авиадвигателей.
Выше, дальше, быстрее
В 1960-70-е гг. ЦИАМ принял самое активное участие в разработке первых отечественных гражданских ТРДД третьего поколения: Д-30 для Ту-134, НК-8 для Ту-154, и их модификаций.
Первым серийным ТРДД (ОКБ П.А. Соловьева) стал Д-20П тягой 5400 кгс (Ту-124, 1960). За ним последовали ТРДД Д-30 тягой 6800 кгс (1963), Д-30КУ (11500 кгс, Ил-62М, 1972), Д-30КУ-154 (с увеличенным ресурсом за счет снижения тяги до 11000 кгс для самого массового советского реактивного пассажирского самолета Ту-154М, 1979), Д-30КП тягой 12 000 кгс (Ил-76, 1976).
Все эти двигатели отличались большой преемственностью конструкции, их тяга наращивалась путем увеличения степени повышения давления, двухконтурности и температуры газов перед турбиной.
В ОКБ Н.Д. Кузнецова было разработано семейство НК-8: НК-8-4 (10 500 кгс, Ил-62, 1963), НК-8-2У (9500 кгс, Ту-154, 1968). НК-86 тягой 13 000 кгс с 1976 г. использовался на Ил-86.
Создание теории ТРДД - безусловная заслуга ученых ЦИАМ. Научное обеспечение создания ТРДД и внедрение воздушного охлаждения лопаток турбин при повышении температуры газа перед турбиной на ~ 200К (по сравнению с ГТД 1950-ых) стали главным вкладом ЦИАМ того периода в развитие авиадвигателей при высоких требованиях обеспечения их надежности и ресурса.
В ЦИАМ был выполнен комплекс уникальных исследований в обеспечение создания и экспериментальной доводки двигателей для сверхзвукового пассажирского самолета (СПС) Ту-144 - НК-144 ОКБ Н.Д. Кузнецова и РД-36-51 ОКБ П.А. Колесова.
В 1970-80-ые созданы гражданские ТРДД с повышенной степенью двухконтурности (4-6): Д-36 (6500 кгс, Як-42, 1975) и его модификации Д-436Т1 для Ту-334 и Д-436ТП для Бе-200. Д-36 послужил моделью для разработки Д-18Т тягой 23 400 кгс (1985, Ан-124 и Ан-225).
Исторической вехой стал ТРДД ПС-90А ОКБ П.А. Соловьева (АО "ОДК-Авиадвигатель") для Ту-204/214 и Ил-96-300. Облик высокоэкономичного для своего времени двигателя, его узлов и системы автоматического управления (САУ) определялся на основе рекомендаций ЦИАМ. Он стал первым отечественным двигателем с электронной цифровой САУ типа FADEC.
ЦИАМ принял самое активное участие в освоении криогенной авиатехники, в т.ч. в создании в 1960-х гг. вертолетного ГТД-350, работавшего на водороде и керосине, и двигателей НК-88 и НК-89, соответственно на жидком водороде и СПГ, испытанных в конце 1980-х гг. на Ту-155.
При создании двигателей 1960-90-х гг. перед учеными вставали проблемы повышения эффективности компрессоров и турбин, сокращения числа их ступеней. Это требовало интенсификации газодинамических процессов, решения проблем совершенствования материалов, методов прочностного проектирования. В те годы также значительно возросли требования к экологическим характеристикам двигателей (шум, эмиссия).
За разработку двигателей четвертого поколения институт в 1982 г. был удостоен Ордена Октябрьской революции.
Поколение ГТД 1990-2020-х гг. характеризуется качественно новым уровнем основных показателей совершенства. ТРДД пятого и пятого+ поколений остаются доминирующими двигателями для дозвуковых магистральных гражданских самолетов.
Еще в 1990-ые на Западе перешли на методологию опережающего формирования научно-технического задела (НТЗ). Поскольку двигатель создается в 1,5-2 раза дольше самолета, двигателистам необходимо "стартовать" значительно раньше самолетчиков. Использование результатов опережающего НТЗ существенно сокращает продолжительность, стоимость разработки и риски на этапе ОКР. Это стало очевидно в ходе создания турбовентиляторного двигателя пятого поколения ПД-14 для МС-21.
Пятое поколение
К концу 1990-ых Ту-154 уже не выдерживал конкуренции с А320 и B737. Нужен был отечественный ближне-среднемагистральный самолет с российскими двигателями.
От предыдущего поколения ТРДД (ПС-90А) новый двигатель должен был отличаться повышенной на 10-15% экономичностью, уменьшенными уровнями шума и эмиссии. В обеспечение его создания с 2000-х гг. ЦИАМ совместно с предприятиями отрасли, прежде всего с АО "Авиадвигатель" (АО "ОДК-Авиадвигатель") и АО "СНТК им. Н.Д. Кузнецова" (ПАО "ОДК-Кузнецов"), при ограниченном финансировании формировали НТЗ для семейства перспективных ТРДД тягой 9-18 т. Велись исследования широкохордного малошумного вентилятора с облегченными рабочими лопатками, малоступенчатого высоконапорного компрессора высокого давления с рабочими колесами типа "блиск", высокоэффективных турбин, шевронных сопел, звукопоглощающих конструкций нового поколения и др. В основе этого лежали исследования ЦИАМ по определению облика и рациональных параметров ТРДД пятого поколения. В 2008 г. программа вышла на новый уровень: под руководством АО "ОДК" началась совместная работа с ведущими НИИ. Активное участие в ней продолжил принимать и ЦИАМ.
При создании ПД-14 использовались разработанные в ЦИАМ нормативные документы, в т.ч. "Нормы летной годности маршевых двигателей" и др. Значительная часть испытаний была выполнена на стендах НИЦ ЦИАМ. Впервые в отечественной практике проведен полный цикл испытаний на пожарную безопасность, а позднее - для подтверждения безопасной работы двигателя при попадании в условия ледяных кристаллов, облака вулканического пепла и др.
ПД-14 стал важным рубежом для современной России, позволившим вывести на новый уровень программу разработки семейства двигателей ПД в классе тяги 9-18 тс.
Совместная работа с промышленностью по созданию нового двигателя в современных реалиях подтвердила основные функции ЦИАМ как головного НИИ отрасли: формирование опережающего НТЗ; научно-техническое сопровождение ОКР; обеспечение сертификации двигателей.
Работая в тесном контакте с ПАО "ОАК", в 2012 г. ЦИАМ выдвинул предложение о начале исследований в обеспечение создания ТРДД большой тяги. Выполненная в 2014-15 гг. НИР завершилась разработкой техпредложения по демонстратору, ставшего основой при разработке программы критических технологий для перспективного двигателя ПД-35. ЦИАМ оказывает научно-техническую поддержку в работах по его созданию.
В настоящее время, реализуя функции государственного научного центра Российской Федерации в области авиадвигателестроения, ЦИАМ выполняет работы по научно-техническому обеспечению решения всего спектра актуальных задач отрасли.
Одна из основных стратегических задач института сегодня - исследования в обеспечение создания двигателей нового поколения. Рассматриваются различные концепции двигателей перспективных региональных и магистральных самолетов будущего, в том числе: ТРДД с повышенными параметрами цикла и сверхвысокой степенью двухконтурности; ТВВД - открытый ротор; двигатели сложных циклов; распределенные СУ; гибридные ТРДД с дополнительным приводом вала вентилятора от электромотора и др. Ведутся исследования в области СУ для перспективного сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения.
Особое внимание уделяется созданию семейств отечественных малоразмерных двигателей (ГТД, поршневых, РПД, электрических), кооперационной инфраструктуры и соответствующей нормативно-технической базы. ЦИАМ - головной исполнитель ряда НИР и ОКР по созданию демонстраторов технологий этих двигателей.
Разработанные решения, после экспериментального подтверждения натурными испытаниями, должны обеспечить создание семейств авиадвигателей на основе унифицированных газогенераторов и модернизацию существующих ГТД и поршневых двигателей.
Одним из первых в РФ ЦИАМ начал вести исследования в области электрических и гибридных СУ, призванных повысить экологические характеристики ЛА. В перспективе их применение позволит реализовывать принципиально новую архитектуру ЛА, обеспечивающую реализацию новых качеств.
Каждое из направлений работы требует осмысления накопленного опыта, тщательных исследований, поиска технических и инженерных решений, которые позволят получить выигрыш по массе, габаритам, топливной эффективности, ресурсу и другим основным показателям двигателя.
За минувшие десятилетия отечественная авиапромышленность прошла серьезные испытания на прочность, сумев сохранить традиции и опыт. При этом стало очевидно, что государственная поддержка наукоемких проектов - важное условие для их реализации.
Формированию технологического суверенитета, возрождению массового производства двигателей российской разработки отводится сегодня особая роль. Все, что для этого требуется, - научные школы, интеллектуальный потенциал, конструкторские коллективы, экспериментальная и производственная база - в России есть.
