ВКЛАД ЦИАМ В ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ
АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Владимир Алексеевич Скибин, генеральный директор

ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова, д.т.н.

 

Главная задача ЦИАМ им. П.И. Баранова - обеспечение технологической готовности отрасли к созданию конкурентоспособных двигателей путём опережающей экспериментальной отработки ключевых технологий узлов, систем, базовых газогенераторов. По разработанным в институте математическим моделям спроектированы узлы этих двигателей: широкохордный вентилятор, высоконагруженный шестиступенчатый КВД, высокоперепадная одноступенчатая турбина ВД и др. В институте спроектирован и испытан биротативный высокоэффективный вентилятор, разработана прорывная технология интенсификации процессов горения органических и неорганических топлив, проводятся экспериментальные исследования высокоскоростных прямоточных двигателей, гиперзвукового летательного аппарата. Ученые института работают и над другими перспективными проектами.

Динамика развития авиадвигателестроения - одной из наиболее наукоёмких и высокотехнологичных отраслей промышленности - определяется комплексом разработанных и экспериментально проверенных прорывных технологий и новых технических решений в области аэро- и термодинамики, материаловедения, технологии, прочности, электроники, информатики. Внедрение инноваций требуется для обеспечения конкурентоспособности продукции в условиях непрерывно ужесточающихся мировых стандартов и расширения номенклатуры требований к авиационным двигателям по экономичности, весогабаритным характеристикам, ресурсу и надёжности, экологическим характеристикам, безопасности эксплуатации, ремонтопригодности, направленных, в конечном счёте, на снижение стоимости владения двигателем для потребителя.

Государственный научный центр ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова" - головной институт по разработке и испытаниям авиационных и аэрокосмических двигателей всех типов и газотурбинных установок на основе авиационных двигателей, главной задачей которого является обеспечение технологической готовности отрасли к созданию конкурентоспособных двигателей путём опережающей экспериментальной отработки ключевых технологий узлов, систем, базовых газогенераторов. "Локомотивом" проведения этих работ является создание двух базовых двигателей нового поколения - для МС-21 и ПАК ФА - прорывных продуктов с уровнем показателей качества, соответствующих 2015 - 2016 гг.

ЦИАМ с участием НИИ и предприятий отрасли выполнил большой объём работ по созданию НТЗ для двигателей нового поколения. По разработанным в институте многодисциплинарным математическим моделям (в том числе 4D - с учётом нестационарного взаимодействия венцов), позволяющим проектировать высоконагруженные лопаточные машины с учётом генерации шума в источнике и дальнем поле, срывных явлений, особенностей турбулентных течений, механики развития трещин, поведения конструкций при сложных условиях нагружения, а также камеры сгорания с учётом детальной химической кинетики, спроектированы узлы этих двигателей: широкохордный вентилятор с к.п.д. 91…92% и облегченными (полыми, углепластиковыми или комбинированными) рабочими лопатками, высоконагруженный шестиступенчатый КВД (π^*_{к ад}= 14) с применением ступеней типа "блиск", малоэмиссионная камера сгорания большого ресурса, высокоперепадная одноступенчатая турбина ВД (π^*_ТВД = 4,6…5,0) и др. Проведены испытания деталей, ступеней и моделей узлов с верификацией расчётных методов. Эти работы позволили приступить к изготовлению натурных демонстрационных узлов перспективного двигателя нового поколения.

Кроме того, исходя из длительности сроков создания авиационного двигателя, в институте развёрнуты исследования по критическим технологиям прорывного характера в обеспечение существенного улучшения характеристик двигателя. Так, спроектирован и испытан биротативный высокоэффективный вентилятор со степенью сжатия π_В^* = 1,5 и к.п.д. 0,935, обеспечивающий снижение шума по трём контрольным точкам на 7…9 EPNdB по сравнению с лучшими современными вентиляторами (рис. 1).

В обеспечение создания ультракомпактных низкоэмиссионных камер сгорания разработана прорывная технология интенсификации процессов горения органических и неорганических топлив, основанная на селективном возбуждении колебательных и электронных состояний реагирующих молекул электрическим разрядом либо резонансным лазерным излучением, которая позволяет даже при ультрамалом энергоподводе (примерно 10^-3…10^-2 Дж/см³) существенно (в десятки раз) сократить время воспламенения и горения, расширить пределы устойчивого горения, обеспечить более высокую эффективность сжигания топлив в малых объёмах и уменьшить в несколько раз концентрацию экологически опасных компонентов в продуктах сгорания.

В настоящее время крупнейшими авиационными разработчиками как одно из наиболее перспективных направлений в развитии авиации (прорывная технология) рассматривается создание "электрического" самолёта. В таком самолёте электрическая энергосистема является основным источником энергии для всех систем самолёта, в том числе его силовой установки. Реализация концепции "полностью электрического самолёта" приведёт к исключению гидравлических и воздушных приводов систем, позволит построить двигатель без коробки приводов, что в результате обеспечит снижение взлётной массы на 10…15%, экономию топлива на 8…12%, снижение стоимости жизненного цикла самолёта на 4…5% и увеличение наработки на отказ на 5…7%.

Работы ведущих мировых разработчиков показывают, что достигнутый уровень электрических технологий позволяет считать концепцию "электрического" самолёта осуществимой в ближайшем будущем. За рубежом, в США и Европе, уже длительное время реализуется целый ряд специальных государственных и фирменных программ в обеспечение развития этого направления. Базовым энергетическим узлом "электрического" самолёта является "электрический" газотурбинный двигатель (ЭГТД).

ГНЦ "ЦИАМ им. П.И. Баранова" проводит комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание "электрического" ГТД уже  более 10 лет. Их результаты позволили определить направления электрификации ЭГТД, основными из которых являются применение встроенного стартёра-генератора, электроприводной системы подачи топлива в камеру сгорания, электромеханизмов для органов механизации проточного тракта двигателя, электроприводной системы смазки или магнитных подшипников для подвеса роторов двигателя. Определены возможности оптимизации и улучшения основных эксплуатационных характеристик ГТД в результате исключения отбора воздуха от двигателя в самолётные системы. В результате проведенных работ показано, что могут быть уменьшены на 10…20% масса и мидель двигателя, снижена на 10…15% трудоёмкость изготовления, повышена на 2…3% топливная экономичность, повышена надёжность, уменьшены вредные выбросы в атмосферу.

Во взаимодействии с конструкторскими бюро и заводами разработаны и созданы демонстрационные образцы основных электрических систем авиационного двигателя: система автоматического управления и система смазки. Эти системы испытаны на двигателе-демонстраторе электрических технологий с электрическим приводом насосов и органов механизации проточной части. В испытаниях подтверждены основные результаты, полученные в теоретических работах. Фотография двигателя-демонстратора с электрическими системами на испытательном стенде ЦИАМ показана на рис. 2.

Кроме того, в рамках Федеральных целевых программ институт работает над широким спектром задач - от фундаментальных исследований, связанных с условиями функционирования авиационного двигателя и его элементов, до создания замкнутых многодисциплинарных систем математического моделирования, применяемых на разных стадиях его разработки, и экспериментальной отработки новых технических решений по узлам и системам.

Развитие мирового авиационно-космического двигателестроения в последнее десятилетие характеризуется повышенным интересом к разработкам гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) и силовых установок для них. Это обусловлено накопившимся достаточным объёмом знаний в области термогазодинамики высокоэнтальпийных потоков и новыми технологиями в материаловедении. Создание демонстрационных гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей, работоспособных в широком диапазоне гиперзвуковых скоростей и режимных параметров, является основой для разработки силовых установок ГЛА различного назначения и относится к числу приоритетных задач отечественного авиационно-космического двигателестроения.

В настоящее время в НИЦ ЦИАМ на крупнейшем в Европе гиперзвуковом стенде проводятся экспериментальные исследования рабочего процесса в крупномасштабных моделях высокоскоростных прямоточных двигателей, интегрированных с фюзеляжем экспериментального гиперзвукового летательного аппарата (рис. 3).

В этих экспериментах регистрируется большое количество различных параметров, в том числе эффективная тяга интегрированной системы "двигатель-ГЛА".

Разработанные и экспериментально верифицированные перспективные технологии создания гиперзвуковых прямоточных ВРД, работающих на водороде и углеводородном топливе с эффективным процессом горения в до- и сверхзвуковых потоках, обеспечат отечественным науке и промышленности лидирующие позиции в области освоения гиперзвуковых полётов в атмосфере.

Освоение прорывных технологий позволит России стать системным интегратором новых международных проектов, интенсифицировать инновационное развитие отрасли, обеспечив технологическую основу для создания и производства конкурентоспособных на внешнем и внутреннем рынках авиационных двигателей. Разработанные прорывные технологии позволят создать перспективный технологический задел для разработки наукоёмкой продукции следующих поколений в других отраслях народного хозяйства.