В НЕБЕ БУДУТ САМОЛЁТЫ С РОССИЙСКИМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова":
Владимир Алексеевич Скибин, д.т.н., научный руководитель института
Валентин Иванович Солонин, к.т.н., первый заместитель генерального директора

Поставленная руководством страны задача модернизации экономики невозможна без возрождения авиационной промышленности, являющейся одним из главных национальных приоритетов научно-технического развития в  принципиально новой технологической базе. Цель технологического развития авиационной промышленности к 2020 - 2025 гг. - приобретение Россией статуса одного из крупнейших мировых центров создания авиационной техники, подтвержденного 10…15-процентной долей на мировом рынке. Эта цель должна быть достигнута в условиях жесткой конкуренции с быстро развивающейся зарубежной промышленностью, развитие которой обеспечивается финансовой, законодательной и тарифной государственной поддержкой.

В национальном плане США и Европейской программе ACARE поставлены амбициозные цели создания к 2030 - 2035 гг. самолетов следующего поколения с кардинально улучшенными летно-техническими характеристиками и значительно сниженными уровнями шума и эмиссии. Так, по сравнению с лайнерами семейства Boeing 737 предполагается улучшить топливную эффективность самолетов в период до 2015 года на 33 %, к 2020 - 2025 гг. - на 40% и в период до 2030 - 2035 гг. - на 70%. В условиях постоянного ужесточения требований к экологическим показателям ставится цель к 2020 - 2025 гг. уменьшить по сравнению с эксплуатируемыми двигателями уровни эмиссии СО₂ на 40…50 %, NO_x на 75…80 % по сравнению с требованиями САЕР2 и уровень шума - в ~2 раза по сравнению с требованиями Главы 3.

Поставленные цели могут быть достигнуты лишь при комплексном развитии экономики, обеспечивающей промышленность соответствующим инновационным базисом, совокупностью научных, материаловедческих, конструктивных, технологических инноваций, используя которые разработчик финального изделия (летательного аппарата) мог бы обеспечить требуемый конкурентный уровень технического и функционального совершенства создаваемой техники, её эффективное производство.

Существенный вклад в достижение этих целевых показателей авиационной техники 2025 - 2030 гг. должны внести перспективные двигатели, на развитие которых направлено большое количество программ по созданию научно-технического задела по перспективным технологиям, проводимых как в рамках государственных программ (программа VААТЕ в США, программы VITAL, NEWAC, CLEAN и др. в Европе), так и в рамках корпоративных программ компаний General Electric, Pratt&Whitney, Rolls-Royce, СFМ International и других при активной поддержке государства, отвечающего за развитие технологического уровня ключевых отраслей промышленности. При этом по большинству программ военного и гражданского назначения разрабатываются общие ("двойные") технологии (методы расчета, конструкторские решения, конструкционные материалы, технологические процессы и т.д.), из которых около 65…70% используются компаниями при создании новых и модернизации находящихся в эксплуатации двигателей гражданского и военного назначения.

Авиадвигателестроение является одной из самых инновационных, наукоемких, высокотехнологичных отраслей промышленности, в которой интегрируются результаты деятельности различных направлений науки и техники и которая стимулирует научно-техническое развитие целого ряда других отраслей - металлургии, станкостроения, агрегатостроения, электроники, нефтехимии и др. Авиадвигателестроение, предъявляя предельно высокие требования к технологиям, которые, пройдя рисковую фазу создания и освоения, становятся высокоэффективными применительно и к другим секторам промышленности, охватывающим до четверти промышленного производства (что можно наблюдать в США и Евросоюзе), способствует развертыванию инновационного сектора экономики как движущей силы промышленной модернизации.

Авиадвигателестроение обеспечивает огромный рынок с общим объемом продаж авиационных двигателей и газотурбинных установок за 20-летний период ~$930 млрд, в котором, по предварительным оценкам, объем рыночной ниши для отечественных пассажирских и транспортных воздушных судов оценивается в ~$44 млрд.

Разработка новых конкурентоспособных двигателей -  долговременный затратный процесс. Как показывает практика, средняя продолжительность разработки новых технологий в авиадвигателестроении занимает 10 - 16 лет, а их освоение для применения в летательных аппаратах - еще 5 - 10 лет.

В настоящее время авиадвигателестроение России отстаёт от зарубежных конкурентов более чем на целое поколение. В то время как за рубежом разработаны и введены в эксплуатацию двигатели V поколения военного (F-119, EJ-200, М88) и гражданского (GE90, GP7200, Trent и др.) назначения, в России разработки таких двигателей находятся на начальном этапе.

В этих условиях основной задачей отечественного авиадвигателестроения является ликвидация технологического отставания через создание двух базовых двигателей нового поколения, в качестве которых выбраны: для гражданской авиации - двигатель самолёта МС-21, а для военной - двигатель для ПАК ФА.

Эта задача должна быть решена в условиях экспансии зарубежных фирм на отечественном рынке гражданской авиации. Поэтому создание конкурентоспособных двигателей необходимо осуществить к 2015 - 2017 гг., иначе в небе России будут летать самолёты с двигателями зарубежных производителей, которые будут эксплуатироваться лет двадцать - двадцать пять, и в других самолётах потребности не будет.

Создание перспективных двигателей должно проводиться по существующей методологии, отработанной, проверенной жизнью не только у нас, но и в западных компаниях, и отход от этой методологии приводит к очень серьёзным издержкам. И финансовым, и временным. Суть этой методологии: ты не имеешь права начинать ОКР, пока нет научно-технического задела, пока нет той совокупности знаний, которая необходима для ОКР.

Мы сегодня приступили к созданию двигателя пятого поколения, но из-за отсутствия времени классическая схема, предполагающая освоение, отработку в рамках нировских программ научно-технического задела, только после чего происходит переход к конструкторским разработкам двигателя, нам не подходит. У нас просто нет другой возможности создания двигателя в требуемые сроки, как немедленно приступить к опытно-конструкторской разработке, иметь директивную программу разработки двигателя и одновременно, значительно расширив НИР по разработке технологий, в нужное время подключать в эту программу разработанные технологии и технические решения.

С каждым поколением авиационные двигатели становятся всё более наукоёмкими, более сложными, в них надо вкладывать всё больше и больше знаний и интеллекта. Для того чтобы был гарантирован успех в создании конкурентоспособных двигателей, нужно уметь считать, уметь конструировать, иметь материалы, иметь технологии производства и уметь обеспечить эффективное послепродажное обслуживание.

Если говорить о компоненте "считать", то за последние годы мы добились хороших результатов. По разработанным в институте многодисциплинарным математическим моделям (в том числе 4D) с учётом нестационарного взаимодействия венцов, позволяющим проектировать узлы перспективных двигателей с учётом генерации шума в источнике и дальнем поле, срывных явлений, особенностей турбулентных течений, детальной химической кинетики, механики развития трещин, поведения конструкций при сложных условиях нагружения, разработаны узлы двигателей V поколения. Проведены испытания деталей, ступеней и моделей узлов с верификацией расчётных методов. Эти работы позволили приступить к изготовлению натурных демонстрационных узлов и газогенератора перспективного двигателя.

В настоящее время эти узлы и газогенератор проходят испытания на стендах ЦИАМ и ОАО "Авиадвигатель". Таким образом, можно с удовлетворением сказать, что в умении считать Россия находится на мировом уровне, что будет продемонстрировано на экспозиции института выставки "МАКС-2011".

В части конструирования основная задача сегодня - обеспечить высокие ресурсы. Здесь есть проблемы, но прослеживается определенная динамика к улучшению. В части перспективных материалов существенным недостатком является отсутствие банка данных по конструкционной прочности. ВИАМ создает отличные материалы и проводит небольшое количество их исследований для получения паспорта. Однако, чтобы применить их в двигателе, необходимо провести огромные исследования по определению разброса свойств этих материалов при различных видах нагружения, что требуется при расчетах запасов прочности деталей. В настоящее время развернута работа по ликвидации этого недостатка. Закупается  необходимое оборудование. Эта работа проводится как в институте, так и в ОКБ.

Самое большое отставание - в области технологий производства. Создание конкурентоспособных двигателей V поколения невозможно без разработки и освоения технологий: изготовления облегченной широкохордной лопатки из титанового сплава с применением технологий сверхпластичного деформирования и диффузионной сварки для малошумного вентилятора с уровнем к.п.д. не менее 92%, создания и ремонта моноколес (блисков) и сварных роторов компрессоров из титановых и никелевых сплавов на базе сварки трением, в том числе линейной, и электроннолучевой сварки; создания высокотемпературных турбин, работающих при температуре газа 2000К, создания высоконагруженных деталей из композиционных материалов на основе полимерной, металлической и керамической матриц; создания высокотемпературных покрытий, высокоэффективных щеточных и пальчиковых уплотнений газовоздушного тракта и др. Работы по этим технологиям проводятся предприятиями отрасли и институтами в рамках НИР "Технология" и "Освоение".

Целевое финансирование этих мероприятий призвано решить в комплексе несколько взаимосвязанных задач для относительно быстрого вывода отраслевых технологических, конструкторских и испытательных ресурсов на современный уровень через организацию специализированных производств - центров компетенции, а также путем привлечения зарубежных партнёров для закупки оборудования и приобретения ряда критических технологий, которых невозможно создать к необходимому времени, используя принцип аутсорсинга.

На крупных выставках, таких как в Ле Бурже и Фарнборо, мы видим, что фантастическое развитие технологий обеспечивается созданием специализированных компаний по разработке отдельных технологий, которые доводят их до совершенства, снижают себестоимость, чтобы быть востребованными и, главное, хотят сотрудничать. Создание центров компетенции - путь ликвидации отставания в области технологий. При этом он позволит выстроить рациональную долгосрочную кооперацию разработчиков и производителей двигателей, что ускорит интеграционные процессы в отрасли.

У авиационной промышленности, в том числе и у двигателистов, сегодня очень ответственный период времени, решается вопрос - останется ли Россия в числе крупных мировых центров создания авиационной техники. Необходимо в кратчайшие сроки организовать работу так, чтобы устранить технологическое отставание, которое образовалось в последние два десятилетия, и одновременно развернуть работы направленные на создание научно-технического задела в обеспечение разработки самолётов и двигателей уровня совершенства 2025 - 2030 гг.

В последние годы основные работы Института были нацелены на обеспечение технологической готовности создания базовых двигателей нового поколения ПД-14 для МС-21 и двигателя II этапа для ПАК ФА. В теснейшей связке с предприятиями Институт проводит комплексные исследования в обеспечение создания этих двигателей, причём применительно к двигателю самолёта МС-21 работы перешли в стадию экспериментальной отработки полноразмерных узлов. Одновременно Институт проводит исследования, связанные с формированием облика двигателей 2025 - 2030 гг. и созданием технологий прорывного характера, которые должны существенно улучшить их характеристики.

Спроектирован и испытан биротативный высокоэффективный вентилятор со степенью сжатия π*_в = 1,5, обеспечивающий снижение шума по трём контрольным точкам на 7...9 EPNdB по сравнению с лучшими современными вентиляторами.

В обеспечение создания ультракомпактных низкоэмиссионных камер сгорания будущего разрабатывается прорывная технология интенсификации процессов горения органических и неорганических топлив, основанная на селективном возбуждении колебательных и электронных состояний реагирующих молекул электрическим разрядом или резонансным лазерным излучением. Это позволяет даже при ультрамалом энергоподводе (~103...102 Дж/см³) 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 обеспечение создания "электрического" самолёта, в котором все системы, в том числе его силовая установка, приводятся электрическим источником, что должно обеспечить 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%, а также позволит построить двигатель без коробки приводов, Институт проводит комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание "электрического" ГТД. Их результаты позволили определить направления электрификации ГТД, 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 конструкторским бюро и заводами разработаны и созданы демонстрационные образцы основных электрических систем авиационного двигателя: система автоматического управления и система смазки, а также стартёр-генератор. Системы испытаны на двигателе-демонстраторе с электрическим приводом насосов и органов механизации проточной части. В испытаниях подтверждены основные результаты, полученные в теоретических работах.

Разрабатываются новые методы управления, направленные на активное управление узлами двигателя (компрессором, турбиной, камерой сгорания) с использованием в САУ встроенной (бортовой) термогазодинамической математической модели двигателя, обеспечивающей улучшение его характеристик, газодинамической устойчивости, устранение влияния изменения теплового состояния конструкции, износа.

Большое внимание уделяется разработке электронных интеллектуальных систем управления с распределенной структурой. Работы базируются на новейших достижениях электронной промышленности, позволяющих повысить термостойкость (выше 150 °С), быстродействие и степень интеграции элементной базы, усовершенствовать внутрисистемный информационный обмен. Эти работы позволят создать "интеллектуальный" двигатель, адаптируемый к условиям эксплуатации и работоспособный при допустимом уровне повреждений деталей.

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, является основой для разработки силовых установок ГЛА различного назначения и относится к числу приоритетных задач отечественного авиационно-космического двигателестроения.

В Институте разработаны и экспериментально верифицированы перспективные технологии создания гиперзвуковых прямоточных ВРД, работающих на водороде и углеводородном топливе с эффективным процессом горения в дозвуковых потоках. В НИЦ ЦИАМ создан и введён в эксплуатацию крупнейший в Европе стенд для испытаний демонстрационных двигателей для скорости полёта М_max = 6, на котором проведены испытания интегрированных с летательным аппаратом крупномасштабных моделей ГПВРД и впервые для такой системы "двигатель - ГЛА" получена эффективная тяга. Эти работы обеспечат отечественной науке и промышленности лидирующие позиции в области освоения гиперзвуковых полётов в атмосфере.

ЦИАМ проводит работы связанные с  созданием силовых установок для БПЛА. Проведены испытания построенного специалистами Института с участием некоторых других организаций первого в России беспилотного летательного аппарата ЦИАМ-80, энергия для полёта которого вырабатывается топливным элементом - электрохимическим генератором. В качестве горючего использовался водород, а окислителя - кислород воздуха. Эти испытания фактически открывают новую страницу в развитии авиационных силовых установок, а также возрождают прерванную в 90-х годах линию на внедрение водородной энергетики в отечественную авиацию. В перспективе это должно обеспечить двукратное повышение топливной эффективности авиационного двигателя при одновременном снижении практически до нуля эмиссии вредных веществ.

Основная задача института на ближайшие годы - проведение работ, направленных на разработку и экспериментальные исследования прорывных конструктивно-технологических решений для создания двигателей самолётов и вертолётов, прогнозируемых для ввода в эксплуатацию в 2025 - 2030 гг. К созданию научно-технического задела по этим двигателям необходимо приступать немедленно, поскольку продолжительность создания базовых двигателей следующего поколения приблизительно в 2 раза превышает период создания планера летательного аппарата. От двигателей, вводимых в эксплуатацию в 2025 - 2030 гг., потребуется по сравнению с двигателями 2000 г. на 20...30% улучшить экономичность, на 30% повысить ресурсы основных деталей, в 2…3 раза увеличить наработку двигателя на крыле, снизить на 20…40 ЕРNдБ шум и на 60…80% эмиссию NO_x.

Для обеспечения указанных преимуществ потребуется разработка новых технических решений и технологий, применение новых конструктивных схем силовых установок, в том числе интегрированных с летательным аппаратом.

Поэтому на базе разработки прогноза научно-технического и конструкторско-технологического развития двигателей для самолётов и вертолётов гражданской авиации на период до 2030 г. должна быть разработана программа создания экспериментально обоснованного задела по двигателям принципиально новых схем, для чего необходимо:
- обосновать перечень ключевых технологий на основе разработки концепции перспективных базовых двигателей с учетом интеграции СУ и планера ЛА;
- обосновать рост параметров рабочего процесса авиационных ГТД с учетом повышения требований к ресурсу и эмиссионным характеристикам двигателей;
- провести расчетно-экспериментальные исследования и разработку модельных образцов для отработки ключевых технологий создания двигателей новых конструктивных схем: ТВВД - "открытый ротор", двигатели со сложными термодинамическими циклами (с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии, с регенерацией тепла горячего газа при его расширении), распределенные силовые установки, гибридные двигатели с электрическим приводом;
- разработать технологии "интеллектуальных" двигателей (применение нано- и МЕМS-технологий, лопаточных узлов с управлением пограничного слоя, систем активного управления зазорами, "беспроводных" технологий, бортовых диагностических баз данных с мобильным доступом и др.), "сухих" (без масляной системы) и "электрических" (без коробки приводов) двигателей;
- отработать технологии проектирования и изготовления деталей и узлов перспективных двигателей из композиционных материалов на основе органических, керамических, металлических и интерметаллических матриц; суперсплавов, армированных волокнами; материалов на основе нанотехнологий, материалов с "памятью" формы, интерметаллидов, тугоплавких сплавов и других новых материалов;
- разработать новые технологии сжигания топлива в камерах сгорания авиационных ГТД (с управлением процесса горения путем распределенного впрыска топлива, воздействия электрического и магнитного полей, с каталитическим горением и др.);
- разработать ключевые технологии создания ВСУ нового поколения на основе твердооксидных топливных элементов с применением углеводородных компонентов.

Разработанные технологии, апробированные в испытаниях демонстрационных узлов и газогенераторов, должны обеспечить создание семейств двигателей и внедрение новых технологий при модернизации существующих двигателей. Освоение прорывных технологий позволит России стать системным интегратором новых международных проектов, интенсифицировать инновационное развитие отрасли, обеспечив технологическую основу для сохранения за Россией статуса авиационной державы.

Решение проблем, стоящих перед авиационной промышленностью, возможно при консолидации усилий всех участников, включая федеральные органы исполнительной власти, и наличии ответственности за содеянное, при создании современной системы управления проектами, а также при необходимом финансировании работ со стороны государства.