МИНИАТЮРНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Александр Владимирович Ефимов
Равиль Зямилевич Нигматулин
Игорь Никифорович Гайдамака
Михаил Яковлевич Иванов
Олег Иванович Иванов
Николай Иванович Огарко

Еще недавно под "малоразмерным" газотурбинным двигателем подразумевалось устройство, способное уместиться под капотом легкового автомобиля. Но процесс миниатюризации ГТД на этом не остановился. Несмотря на огромные трудности, с которыми пришлось столкнуться разработчикам, размеры и масса самых маленьких "газотурбинников" продолжали сокращаться.

Так, еще в 1973 г. был создан предназначенный для авиамоделей миниатюрный ГТД TDJ-76 "Мини Мамба". При собственной массе 6,5 кг это чудо техники обладало тягой 25 кгс, его диаметр не превышал 150 мм, а длина - 400 мм. Зато частота вращения вала для обеспечения требуемой величины тяги была доведена до 96000 об/мин.

Турбина TDJ-76 выполнялась фрезерованием и последующей гибкой из стального диска толщиной 2,5 мм, при этом лопатки были плоскими, непрофилированными. Камера сгорания, занимавшая большую часть объема двигателя, изготовлялась из жаропрочной стали. В ней применялась довольно сложная система подачи топлива с предварительным его испарением; топливо использовалось также для отвода тепла от подшипников.

Впоследствии был создан целый ряд аналогичных двигателей, отличавшихся тягой и размерами. Так, были разработаны и изготовлены ГТД со следующими параметрами (первое число - тяга в ньютонах, второе - диаметр крыльчатки компрессора в миллиметрах): 70/66, 80/76, 90/88, 100/90. Модели с такими двигателями получили относительно широкое распространение.
И все же наследники "Мини Мамбы" оказались великоваты. Энтузиасты малоразмерных ГТД замахнулись на разработку двигателей, способных обеспечить полет действительно миниатюрных летательных аппаратов, не превосходящих по размерам человеческую ладонь! В 2000 г. в печати появились сообщения о том, что в Массачусетском технологическом университете создают малоразмерный ГТД с максимальным диаметром корпуса 12 мм и диаметром рабочих колес, не превышающим 8 мм. Аналогичный проект попытались реализовать Токийский университет совместно с ЦИАМ им. П.И. Баранова. При разработке использовался опыт проектирования микро-ГТД FD-3 длиной 260 мм и диаметром 110 мм, предназначавшегося для беспилотных летательных аппаратов.

В качестве двигателя-прототипа был избран FD-3. Но ограничения технологического характера вполне способны перечеркнуть вывод о реальности создания столь миниатюрного газотурбинника. С самого начала предполагалось, что основные узлы микро-ГТД будут изготовляться из керамики. Но все, что способна дать технология MEMS, - это плоские лопатки постоянной толщины, выполненные заодно с диском (своеобразные "блиски") и цилиндрические отверстия в керамических стенках.
В связи с этим был сделан вывод о необходимости промежуточного шага, каковым стало изготовление двигателя, впятеро большего по основным размерам, нежели описанный. Диаметр ротора такого двигателя, как нетрудно определить, был принят равным 40 мм.

Оптимизировав параметры компрессора и турбины, для микро-ГТД с диаметром ротора 40 мм удалось добиться приемлемых значений к.п.д. компрессора и турбины (около 0,7). В дальнейшем в Токийском университете были проведены испытания компрессора с диаметром ротора 40 мм. В заключение отметим что создание микро-ГТД с диаметром ротора 40 мм технически осуществимо, и необходимо доработать технологию MEMS. Применение микро-ГТД для создания тяги вряд ли рационально, и наиболее вероятным можно считать использование описанного двигателя в качестве привода миниатюрного генератора электрической энергии.

Существует ли предел миниатюризации? На этот вопрос, скорее всего, нужно ответить - да, существует.