|
ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ
В АВИАЦИОННОМ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ
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
Александр Игоревич Ланшин, д.т.н, начальник отдела
Сейчас в России разрабатывается Государственная программа развития авиационной промышленности до 2025 года. Она позволит в достаточно конкретной форме представить перспективы развития техники, потребные материальные, людские и экономические ресурсы, определить необходимый для этого уровень развития научной базы. Одной из составляющих ГП является Национальный план развития науки и технологий в авиастроении. Он формируются на основе прогнозов по всем базовым направлениям: планер, силовая установка, радиоэлектронное оборудование и т.д. И для каждого направления он разрабатывается самостоятельно, но в тесной связи с перспективными планами в других направлениях. Именно такой документ недавно был представлен ЦИАМ им. П.И. Баранова. Весь документ разбит на подразделы, представляющие собой отдельные направления науки и технологий, входящие в понятие "авиадвигателестроение". Краткие выдержки из него приведены в этой статье.
В настоящее время двигатели летательных аппаратов достигли высокого уровня совершенства. Например, крейсерский удельный расход топлива двигателей магистральных самолетов гражданской авиации (в значительной степени определяющий топливную эффективность летательного аппарата), составляет 0,52…0,63 кг/кгс×ч и улучшение этого показателя происходит с годами все медленнее. Традиционные способы снижения удельного расхода топлива путем повышения эффективности термодинамического цикла: суммарной степени повышения давления в цикле и температуры газа перед турбиной, коэффициентов полезного действия узлов и снижения потерь полного давления во входных и выходных устройствах, а также повышение степени двухконтурности, могут обеспечить относительно небольшие улучшения экономичности. Одновременно всё это приводит к увеличению диаметра двигателей, усложнению проблем обеспечения требуемых ресурсов основных деталей и приемлемого теплового состояния деталей "горячей" части и т.д.
Следует ожидать в перспективе в области создания двигателей для магистральных и региональных самолетов гражданской авиации (ГА) достижения индикаторов.
При сохранении магистрального направления на разумное (с учетом проблем обеспечения все возрастающих требований к ресурсам конструкций и эмиссии вредных веществ) повышение параметров цикла и степени двухконтурности прогнозируется все большее внимание к исследованиям силовых установок (СУ) нетрадиционных конструктивно-компоновочных схем: турбовинтовентиляторных двигателей ("открытый ротор") с биротативными винтовентиляторами (ВВ); двигателей сложных термодинамических циклов, в которых ключевую роль играют легкие компактные теплообменники, охладители и рекуператоры; распределенных СУ (привод нескольких вентиляторов-движителей от одного генератора мощности), глубоко интегрированных с элементами планера СУ; гибридных силовых установок, привод вентиляторов которых осуществляется одновременно от турбин и электродвигателей. Переход к таким компоновкам, с одной стороны, может потенциально обеспечить существенное улучшение технико-экономических характеристик ЛА, а, с другой стороны, сопряжен с заметными рисками в связи с ограниченным опытом создания таких силовых установок.
Необходимо отметить, что повышение экономичности перспективных СУ, аэродинамического качества и весового совершенства ЛА приводит к значительному уменьшению взлетной массы и потребой тяги двигателей. При этом важной особенностью перспективных двигателей региональных и магистральных самолетов является уменьшение размерности их газогенераторов в 3…6 раз по сравнению с разрабатываемыми в настоящее время. Указанное означает, что для двигателей магистральных и региональных самолетов актуальной может стать проблема применения высокоэффективных осецентробежных и центробежных компрессоров.
Для сверхзвуковых деловых самолетов (СДС) потребуется создание двигателей с широким изменением степени двухконтурности в процессе полета, что будет достигаться сначала применением отдельных трансформируемых элементов двигателей, а в более отдаленной перспективе - специализированных двигателей изменяемого рабочего процесса (ДИП) в сочетании с высокоэффективными средствами снижения шума в источнике.
В области СУ винтокрылых летательных аппаратов основное внимание будет сосредоточено на формировании двигателей и трансмиссией скоростных вертолетов и конвертируемых летательных аппаратов.
Прогнозируются три ключевых направления, обеспечивающих "прорывное" улучшение показателей вертолетных двигателей: широкое комплексное применение перспективных композиционных материалов различных типов, обеспечивающее, в частности, радикальное (на 200…300 К) повышение температуры газа в двигателях с неохлаждаемой горячей частью (т.н. "неметаллический двигатель"); отказ от использования в двигателе механического привода агрегатов через коробку передач и переход на использование электроприводных агрегатов, питающихся от встроенного высокооборотного генератора (т.н. "электрический двигатель"); применение в двигателе роторных опор нетрадиционного типа (неметаллические композитные, газовые, электромагнитные), не требующих масляного охлаждения, исключение из конструкции двигателя масляной системы (т.н. "сухой двигатель").
На более отдаленную перспективу рассматриваются СУ вертолетов с электрическим приводом несущего и вспомогательного винтов (т.н. "электрический вертолет"). Двигатель предполагается использовать в качестве газотурбинного привода электрического генератора. Кроме того, исследуются интегральные силовые установки (ИСУ), в которых ТРДД с регулируемым вентилятором, несущий винт и тракт выхлопной системы двигателя объединены в единую структуру.
Должны получить развитие авиационные поршневые двигатели применительно к ЛА малой авиации и беспилотным летательным аппаратам.
Характерными особенностями перспективных вспомогательных ГТД являются: опоры на газодинамических или электромагнитных подшипниках; безредукторный привод электрогенератора - электростартёра; высокооборотный электрогенератор на постоянных магнитах с обеспечением возможности работы в стартерном режиме для запуска двигателя. Существенное улучшение топливной экономичности и экологических показателей (по выбросам в атмосферу вредных веществ и по шуму) будет получено при переходе на гибридные ВСУ с использованием технологий, основанных на применении топливных элементов. Перспективным направлением является создание интегрированного энергоузла (ИЭУ), который объединяет ВГТД, систему запуска, систему аварийного энергообеспечения и систему кондиционирования самолета.
В области военной авиации основные качественные изменения с точки зрения термодинамики и теплообмена связаны с созданием турбин и камер сгорания, работоспособных при температурах газа перед турбиной выше 2000 К, что требует применения новых материалов с высокоэффективными системами охлаждения. Важной задачей останется создание выходных устройств со сниженными показателями инфракрасного излучения. Будут разрабатываться новые двигатели для беспилотных летательных аппаратов различного назначения (короткоресурсных, ударных, высотных и др.), характеризуемые кардинально разными подходами к обеспечению высокой технико-экономической эффективности.
В области промышленных ГТУ прогнозируется повышение внимания к исследованиям нетрадиционных конструктивно-компоновочных схем, базирующихся на цикле с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и регенерации тепла в процессе расширения газа в турбине. Разработка экологически чистых ГТУ позволит создать высокоэффективные, конкурентоспособные дизельным двигателям газотурбинные установки.
Для сверхзвуковых административных самолетов потребуется создание эффективных воздухозаборных устройств, способствующих снижению общего сопротивления аппарата, а также регулируемых сопел с возможностью управления вектором тяги для компенсации отклоняющих воздействий. В более отдаленной перспективе возможно применение двигателей с детонационным горением и магнитогазодинамических средств снижения сопротивления и управления процессами в двигателях.
Приоритетные направления развития во многом зависят от ряда внешних факторов, среди основных из которых можно указать:
- темпы экономического развития мировой и российской экономики, роста объемов перевозок и расширения бизнес-контактов. В частности, это может повлиять на интерес к созданию компоновок больших пассажирских и транспортных самолетов в схеме "летающее крыло" и других компоновок интегральных схем, сверхзвуковой деловой авиации и соответствующих силовых установок;
- рост стоимости и доступность авиационного керосина. Осложнение ситуации в этой области может стимулировать интерес к практическому применению винтовых и винтовентиляторных двигателей, альтернативных видов топлива;
- принятие законодательных актов в области авиационного транспорта, ужесточение экологических требований, в частности по шуму на местности, нормирование требований по допустимому уровню звукового удара от сверхзвуковых ЛА. Эти факторы могут повлиять на развитие, в частности, двигателей сверхзвуковой гражданской авиации.
Для создания нового поколения конкурентоспособных авиационных двигателей необходима экспериментальная отработка их элементов с моделированием реальных условий эксплуатации, необходима современная экспериментальная и технологическая база.
В сложившейся ситуации в целях сохранения и развития авиадвигательной отрасли промышленности необходимо коренное обновление экспериментальной базы.
В развитии этого направления можно выделить три основных позиции:
- совершенствование методики и техники экспериментальных исследований, точности и информативности получаемых результатов, создание новых методов экспериментальных исследований;
- глубокая модернизация существующих экспериментальных стендов и установок, обновление информационно-измерительных и управляющих комплексов, а также измерительного оборудования;
- проектирование и создание новых стендов и установок, расширяющих диапазоны и возможности экспериментальных исследований, способствующих приближению получаемых характеристик к натурным условиям.
В настоящее время зарубежные двигателестроительные компании имеют собственные программы, включающие дополнительные требования к перспективным двигателям, сформулированные на основе анализа ожидаемых требований рынка и тенденций развития двигателестроения. Так, двигатели для ближнесреднемагистральных самолетов, сертификация которых ожидается в 2013 - 2015 гг. должны обеспечивать по сравнению с существующими двигателями на 10…15% более высокую экономичность, наработку на выключение в полете более 200000 часов с момента начала эксплуатации, наработку без съема с крыла более 12500 часов, ресурс основных (критических по последствиям разрушения) деталей горячей части - более 20000 циклов, холодной части - более 40000 циклов, диспетчерскую надежность более 99,96%, существенное снижение трудоемкости технического обслуживания. Эксплуатироваться эти двигатели должны "по надежности" (RCM-reliability centered maintenance), а сертификация их должна осуществляться в соответствии с существенно более жесткими, чем действующие в настоящее время, нормами летной годности.
Возможность создания соответствующих таким требованиям конкурентоспособных двигателей в значительной степени зависит от успешной разработки и внедрения ключевых технологий, то есть технологий, создаваемых на основе интеграции новых материалов, технологических процессов, конструктивных решений, методов проектирования и испытаний, обеспечивающих качественное улучшение характеристик двигателя.
Для снижения риска разработок новых двигателей, уменьшения затрат времени и средств на создание двигателей новые технологии могут быть использованы в ОКР лишь при доведении этих технологий до VI уровня готовности (по шкале, предложенной NАSА и широко используемой в настоящее время в авиадвигателестроении).
Существенное значение в последнее время придаётся экологическим качествам авиационных двигателей. Основной целью работ в этом направлении является преодоление имеющегося на сегодняшний день отставание экологических показателей отечественной авиации от зарубежных аналогов и опережающее развитие научно-технического и технологического потенциала авиационной промышленности в обеспечение роста производства и конкурентоспособности силовых установок российского производства, удовлетворяющих перспективным экологическим требованиям ИКАО, ЕС и международных региональных органов по воздействию шума и эмиссии вредных веществ на окружающую среду.
С целью улучшения экологической обстановки в зоне аэропортов ИКАО планомерно ужесточает нормы на шум самолетов и эмиссию вредных веществ - оксиды азота NOx, несгоревшие углеводороды НхС, оксид углерода СО и дым. В качестве мер против изменения климата ИКАО планирует до 2015 г. введение новых норм на эмиссию вредных веществ в полетных условиях - углекислого газа СО2, нелетучих частиц и оксидов азота NOх, а также широкое использование альтернативных (не нефтяных) топлив при эксплуатации авиатехники.
Из анализа планов и программ работ в США и Европе по исследованиям и разработкам в области авиации на период 2015 - 2020 гг. и до 2030 - 2035 гг. следует, что для обеспечения доминирующего положения на мировом рынке в США и Европе составлены и реализуются при значительной государственной поддержке долгосрочные планы в обеспечение очень высоких целевых индикаторов по экологии, включая топливную эффективность, определяющую эмиссию СО2.
Для того, чтобы наша авиастроительная промышленность осталась конкурентоспособной, нам надо уже сейчас думать о том, что и как будет ею производиться в 2030 году, совершенствуя науку, технику, технологию, производственные процессы, вычислительную базу, готовить кадровый состав науки и производства. И от того, насколько точным окажется наш прогноз, зависит и само существование авиации в России и её место в мире.