Центральный институт авиационного моторостроения за предыдущие годы смог не только сохранить коллектив и исследовательско-экспериментальную базу, но и создал задел по ряду научных направлений. Это позволяет на равных участвовать в крупных международных исследовательских проектах и предлагать отечественной промышленности передовые решения. О том, над чем сегодня работают ученые, какие прорывы ожидаются в области двигателестроения, "АвиаПорту" рассказал генеральный директор ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова" Владимир Бабкин.
- Расскажите об основных направлениях сегодняшних научно-исследовательских работ института.
- Как и в предшествующие годы, основная деятельность ЦИАМ была связана с выполнением работ в рамках Федеральной целевой программы "Развитие гражданской авиационной техники на 2002-2010 годы и на период до 2015 года". По контрактам с Минпромторгом был выполнен комплекс исследований в обеспечение создания двигателей для перспективных самолетов гражданской авиации, в том числе двигателей 2020-х годов в рамках проекта "Самолет-2020". Фактически, сегодня мы заглядываем за горизонт 2030 года. В прошлом году мы активно включились и в работы по созданию научно-технического задела по двигателям для силовых установок перспективного авиационного комплекса дальней авиации и перспективного скоростного вертолета.
Среди совместных проектов с промышленностью следует отметить участие в работах по обеспечению технологической готовности создания базового двигателя нового поколения ПД-14 для самолета МС-21. В настоящее время это направление является одним из приоритетных в деятельности института. В рамках этого проекта на стендах и установках ЦИАМ продолжалась экспериментальная доводка отдельных узлов: камеры сгорания, турбины высокого и низкого давления. Для этой же темы продолжались экспериментальные исследования характеристик материалов. В соответствии с подписанными планами сертификационных и инженерных испытаний, в преддверии летных испытаний подготавливается стендовая база для испытаний газогенератора и полноразмерного двигателя.
Также в прошедшем году в институте проведены испытания отдельных узлов и двигателей в целом, среди них АЛ-31ФН серии 3 и АЛ-31 ФМ2 производства ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют", МС-500В запорожского АО "Мотор Сич", изделия 64М, выпускаемого ОАО "НПО "Сатурн", чешского ТР-100 и других.
В нынешнем году продолжаются научно-исследовательские работы, выполняемые по Федеральной целевой программе. К приоритетным направлениям мы относим расчетно-экспериментальные исследования в обеспечение создания двигателей для самолетов и вертолетов гражданской авиации 2020-х годов, исследования в области создания двухконтурных турбореактивных двигателей большой тяги, разработку технологий по снижению шума и эмиссии вредных веществ авиационных двигателей, исследования технологий проведения экспериментальных работ. Что касается финансирования ЦИАМ, то мы ожидаем рост объемов работ по государственным контрактам по сравнению с 2013 годом на уровне 5-10%.
- В каком состоянии находится экспериментальная база ЦИАМ на сегодняшний день? Какие основные задачи стоят перед ней?
- Как известно, для проведения инженерных и сертификационных испытаний авиационных двигателей с моделированием реальных условий эксплуатации необходима современная экспериментальная база. Среди отечественных организаций этим целям в наибольшей степени соответствует Научно-испытательный центр ЦИАМ, один из крупнейших в Европе, позволяющий проводить высотные испытания двигателей, их узлов и систем. НИЦ ЦИАМ, без преувеличения, является национальным достоянием России: он является отраслевым центром коллективного пользования.
В настоящее время для проведения испытаний перспективных двигателей в рамках федеральных целевых программ в НИЦ ЦИАМ развивается экспериментальная база прочностных исследований. Создаются модельные стенды и установки для отработки критических технологий, проводится модернизация и техническое перевооружение существующих технологических систем и высотных стендов, оснащение их современными высокоточными системами измерения и управления.
За последние годы созданы стенд для проведения испытаний на обледенение, стенд для акустических исследований моделей однорядных и биротативных вентиляторов. Подготовлена база для исследования лопаток вентилятора на стойкость при попадании птиц и посторонних предметов, исследования двигателей на огнестойкость и для исследования прочностных характеристик образцов материалов и узлов двигателей.
Однако следует отметить, что для соответствия технической оснащенности НИЦ ЦИАМ уровню ведущих мировых испытательных центров необходимо увеличить бюджетное финансирование на его содержание и развитие, подобно тому, как это делается для испытательных центров за рубежом. Поддержание этого комплекса в основном за счет средств ЦИАМ не позволит нам быть конкурентоспособными на мировом рынке.
- Проведение расчетных и экспериментальных исследований - не единственное направление работы института. Что Вы можете сказать о положении дел с нормативно-технической базой, определяющей методологию создания и сертификации двигателей и газотурбинных установок на их основе?
- ЦИАМ - головная организация подотрасли авиационного двигателестроения. В зоне нашей ответственности лежит создание и поддержание на современном уровне нормативно-технической документации, определяющей методологию создания и сертификации авиационных двигателей и газотурбинных установок на их основе, а также требования к их техническим характеристикам и порядку эксплуатации. Мы поддерживаем в актуальном состоянии отраслевую нормативную базу, своевременно обновляя редакции документов и при необходимости разрабатываем новые.
В ЦИАМ ведется работа по всем направлениям, предусмотренным для двигателестроения Воздушным кодексом, в гражданской, государственной и экспериментальной авиации. Кроме того, специалисты ЦИАМ работают в направлении международной программы гармонизации стандартов в области разработки и производства авиационной техники.
Для государственной авиации ЦИАМ координирует работы по созданию и поддержанию общих технических требований к двигателям различного назначения и типовых программ государственных испытаний. Здесь разрабатываются руководства по испытаниям, нормы прочности и нормы безотказности, положения о ресурсе, различные методики.
Вместе с Авиационным регистром Межгосударственного авиационного комитета ЦИАМ разработал новую редакцию авиационных правил АП-33 в части норм летной годности маршевых двигателей магистральных самолетов гражданской авиации. Завершается выпуск квалификационных требований к вспомогательным двигателям - взамен действующих в настоящее время Авиационных правил. Разрабатываются рекомендательные циркуляры по подтверждению соответствия двигателей пунктам авиационных правил, ГОСТы и ОСТы, нормы прочности и безотказности, положения о ресурсе и о методологии создания двигателей.
В области экспериментальной авиации эффективным инструментом стало выпущенное в 2011 году положение "Требования и процедуры по подтверждению возможности применения газотурбинного двигателя на воздушном судне экспериментальной авиации", позволяющее обеспечить безопасность летных испытаний.
Нормативной базой для газотурбинных установок на основе авиационных двигателей занимается действующий на базе ЦИАМ технический комитет №414 Росстандарта "Газовые турбины", проводится взаимодействие с "зеркальным" комитетом Международной организации по стандартизации ISO - TC192 "Gas Turbines". На базе разработанного с участием ЦИАМ стандарта ISO 21789 в 2013 году вступил в силу основополагающий отечественный стандарт ГОСТ Р 55393-2012 "Электростанции газотурбинные. Требования безопасности". К сожалению, его эффективному применению пока мешает незавершенность процесса ввода в действие новых технических регламентов Таможенного союза, новых аккредитующих органов и новых правил аккредитации.
- Одной из основных тенденций развития современного авиационного двигателестроения является применение композиционных материалов. Как обстоят дела с этим направлением работ в вашем институте? Имеются ли у вас разработки, которые можно предложить промышленности?
- Ни для кого не станет открытием, что в настоящее время одна из основных тенденций развития авиадвигателестроения состоит в применении композиционных материалов в различных узлах двигателя. Благодаря уникальным свойствам композиционных материалов, их применение в двигателе позволяет существенно уменьшить массу, повысить безотказность, увеличить наработку на крыле и, тем самым, сократить прямые эксплуатационные расходы.
На протяжении ряда лет ЦИАМ ведет работы по этому направлению. В институте созданы современные методы расчета и проектирования деталей и узлов авиационных двигателей из композиционных материалов, позволяющие разрабатывать оптимальные по прочностным и жесткостным характеристикам изделия. Совместно с ФГУП "ВИАМ" и ФГУП "ЦНИИМ" на основе различных матриц разработаны композиционные материалы, работоспособные в широком диапазоне температур, и технологические процессы изготовления деталей и узлов авиационных двигателей из них.
Совместно с ФГУП "ЦНИИМ" разработана технология изготовления неохлаждаемых лопаток соплового аппарата турбины из дисперсно-упрочненного композиционного материала "Скелетон", а совместно с ФГУП "ВИАМ" - технология изготовления неохлаждаемой жаровой трубы камеры сгорания из керамического композиционного материала на основе углеродных волокон и карбид-кремниевой матрицы для малоразмерных двигателей.
В настоящее время для ЦИАМ наиболее актуальной задачей является доведение до шестого уровня технологической готовности технологий проектирования, изготовления и прочностной доводки рабочей лопатки вентилятора из полимерного композиционного материала для перспективных двигателей (ТРДД, ТВВД) и передача их промышленности для организации серийного производства таких лопаток. С этой целью в ЦИАМ организован участок по изготовлению опытных деталей и узлов авиационных двигателей из композиционных материалов и разработана методика их лабораторных и стендовых испытаний, обеспечивающая прочностную доводку. На его базе предполагается создать отраслевую лабораторию, основная задача которой будет состоять в отработке и доведении до упомянутого уровня технологической готовности технологий изготовления деталей авиационных двигателей из композиционных материалов, а также подготовить организацию мелкосерийного производства.
- Ваш институт является активным участником международных проектов. В каких программах принимали или принимают участие специалисты ЦИАМ? Какую часть в этих проектах занимают вопросы научного сотрудничества?
- Международное сотрудничество всегда было важным направлением деятельности института. Им оно и остается, благодаря высокому научно-техническому потенциалу ученых и специалистов ЦИАМ и наличию уникальной экспериментальной базы.
На основе двухсторонних научно-технических связей институт имеет сложившиеся отношения с мировыми научно-исследовательскими центрами, в частности германским DLR, французским ONERA, голландским NRL и с ведущими аэрокосмическими и двигателестроительными корпорациями и фирмами Европы и Америки - Airbus Group, Dassault Aviation, Boeing, Safran Group, Pratt&Whitney Canada, Avio Aero, MAN Diesel Turbo SE, MDS Aero, Shell. Развивается сотрудничество с научно-исследовательскими организациями из Азии - индийской GTRE, китайскими CAPI, SEDRI и GTE и другими. Кроме того, ЦИАМ продолжает эффективное взаимодействие с традиционными партнерами из стран СНГ - предприятиями Украины и Белоруссии.
С 2005 года институт принимает участие в проектах рамочных программ европейского сообщества. Это качественно новый этап нашей внешнеэкономической деятельности, направленный на усиление международной кооперации с европейскими фирмами, университетами и исследовательскими центрами. В настоящее время ЦИАМ - партнер в международных кооперационных проектах, финансируемых Европейской комиссией в рамках седьмой рамочной программы Европейского Союза: ESPOSA, LEMCOTEC, DISPURSAL и ENOVAL. В этих проектах рассматриваются различные аспекты создания узлов перспективных двигателей, отвечающих целевым индикаторам, заданным в Vision 2020 и Flight Path 2050. Помимо этого, институт принимает участие в совместных российско-европейских проектах СОВRА и HEXAFY-INT, которые финансируются Минпромторгом России в рамках второго скоординированного конкурса Россия - ЕС седьмой рамочной программы.
Ученые ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова" являются представителями России в зарубежных научных обществах ISABE, ICAS, ASME, AIAA, SAE и в Международной организации гражданской авиации (ICAO).
ЦИАМ регулярно принимает участие в работе международных форумов: проводимого в Жуковском Международного авиационно-космического салона, салонов в Ле-Бурже и Фарнборо, германской выставки ILA, китайской Airshow China и индийской Aero India, "Международного форума по двигателестроению" и других подобных мероприятиях авиастроительной отрасли.
ЦИАМ регулярно выступает организатором международных конференций и семинаров, среди которых можно отметить конференцию "Авиадвигатели ХХI века", семинары по поиску инновационных решений для снижения эмиссии вредных веществ, сажи, аэрозольных частиц, альтернативным топливам и управлению процессом горения, проблемам авиационного двигателестроения, неравновесным процессам, плазме, горению, атмосферным явлениям и пр.
- Сотрудники вашего института принимают участие в разработке международных стандартов ICAO, ограничивающих вредное воздействие авиации на окружающую среду. Расскажите об этой стороне деятельности ЦИАМ.
- В настоящее время экологические характеристики авиационного транспорта являются одними из главных показателей, определяющих его конкурентоспособность на мировом рынке и обеспечивающих беспрепятственную эксплуатацию на международных авиалиниях. Принципиальная позиция ICAO заключается в планомерном ужесточении норм на шум и эмиссию вредных веществ.
В работе Комитета ICAO по охране окружающей среды от воздействия авиации (САЕР) с момента его образования активное участие принимают сотрудники ЦИАМ совместно со специалистами ФГУП "ЦАГИ" и ФГУП "ГосНИИ ГА". При их содействии разработаны международный стандарт по ограничению эмиссии вредных веществ - Приложение 16 "Охрана окружающей среды" к Конвенции о международной гражданской авиации, том II "Эмиссия авиационных двигателей", поправки к указанному стандарту и к стандарту по ограничению шума - Приложение 16 "Охрана окружающей среды" к Конвенции о международной гражданской авиации, том I "Авиационный шум". Сотрудники ЦИАМ в лице члена САЕР от России и представителей в рабочих группах САЕР отстаивают интересы отечественных разработчиков авиационной техники при ужесточении норм на шум и эмиссию вредных веществ, уточнении процедуры сертификации самолетов и двигателей, разработке нового международного стандарта на эмиссию углекислого газа и при принятии САЕР других решений.
Следует отметить, что сотрудники ЦИАМ являются соавторами международной монографии "Авиация и глобальная атмосфера" ("Aviation and the Global Atmosphere") по обоснованию экологических требований, изданной по инициативе ICAO, разрабатывают отечественную нормативную документацию, гармонизированную с требованиями ICAO.
Позиция ЦИАМ в области авиационной экологии основывается на результатах научно-исследовательских работ, проводимых по государственным контрактам с Минпромторгом России.
- Институт проводит исследования по применению альтернативных топлив в авиационных двигателях, в частности, АСКТ. Какие результаты получены и когда можно ожидать применение альтернативного топлива в авиационных двигателях?
- ЦИАМ выполняет исследования в лабораторно-стендовых условиях отечественных опытных образцов альтернативных жидких углеводородных топлив для авиационных ГТД из не нефтяного сырья (природного газа, угля, биосырья), а также авиационного сконденсированного топлива (АСКТ), получаемого из попутных нефтяных газов. Разработанные по техническим требованиям ЦИАМ лабораторные опытные образцы альтернативных жидких топлив соответствуют по эксплуатационным свойствам требованиям для отечественных реактивных топлив.
Известно, что АСКТ, находящееся в жидком состоянии, обладает неудовлетворительными противоизносными свойствами и повышенной агрессивностью по отношению к уплотнительным материалам, применяемым в топливных агрегатах авиационных ГТД. АСКТ, содержащее в своем составе противоизносную и антиокислительную присадки, обладает эксплуатационными свойствами на уровне стандартных авиационных топлив и рекомендовано ко второму этапу приемочных испытаний на представительном образце авиационного ГТД, оборудованном системой топливопитания, пригодной для применения низкокипящего топлива. АСКТ обладает также достаточно высоким октановым числом - около 95 по моторному методу, позволяющему рекомендовать это топливо для применения в поршневых авиационных двигателях.
Стоит заметить, что производство альтернативных жидких углеводородных топлив из природного газа, угля и биосырья, а также АСКТ в нашей стране отсутствует.
Для внедрения альтернативных топлив в авиатехнику необходимо выполнить обширный комплекс работ, в частности разработать прогрессивные конкурентоспособные промышленные технологии производства альтернативных жидких углеводородных топлив для отечественной авиатехники, разработать нормативную документацию на альтернативные топлива для авиации и сертифицировать альтернативные авиатоплива для применения в отечественной авиатехнике.
Кроме того, необходимо организовать наработку образцов альтернативных топлив и провести квалификационные испытания альтернативных топлив, а после исполнения выше перечисленного, организовать стендовые и ресурсные испытания двигателей на альтернативных топливах.
- В последние годы возрос интерес к альтернативным источникам энергии, в частности - к топливным элементам. Такие работы ведутся в вашем институте. Достигнуты ли результаты и какова перспектива их применения в авиации?
- В институте проводятся работы в области электрохимических генераторов электрической энергии (ЭХГ) - топливных элементов и бортовых авиационных гибридных энергетических установок (ЭУ) на их основе. Однако, к сожалению, сегодня они идут без соразмерного важности задач целевого государственного финансирования.
Известно, что еще в конце 2010 года впервые в России ЦИАМ построил и испытал в полете три демонстратора силовых установок (маршевой и вспомогательной) на легких беспилотных летательных аппаратах (БЛА): "ЦИАМ 80" и "ЦИАМ 80-2" с использованием импортных водородных топливных элементов "Аэропак" сингапурской фирмы Horizon и демонстратор БЛА "ЦИАМ-рекорд" с первой энергетической установкой на топливных элементах полностью отечественной разработки, пригодной по своим удельным характеристикам к применению на борту летательного аппарата. Топливная батарея для последней ЭУ разработана по техническому заданию ЦИАМ в Институте проблем химической физики РАН (Черноголовка), металлокомпозитный водородный баллон высокого давления (300 атм) - ООО "Элина-Т" (Зеленоград).
Эти эксперименты продемонстрировали возможность эффективного использования энергоустановки на основе ЭХГ на мини-БЛА с увеличением продолжительности полета в 2-4 раза относительно традиционных в настоящее время ЭУ с литий-ионными аккумуляторами.
Потенциально топливные элементы, работающие на компонентах углеводородного топлива (авиационного керосина), могут существенно повысить эффективность бортовых вспомогательных энергетических установок магистральных самолетов в отношении экономии топлива (КПД до 50-60%), добиться практически нулевого выброса вредных веществ в атмосферу и понизить уровень шума по сравнению с газотурбинными двигателями. Однако массогабаритные характеристики таких ЭУ в настоящее время не позволяют использовать их на борту ЛА. ФГУП "ЦИАМ" совместно с ОАО "НПП "Аэросила" проработал конструктивные облики ряда демонстраторов гибридных вспомогательных ЭУ на основе батареи топливного элемента и газотурбинного блока суммарной мощностью 50-300 кВт.
В более отдаленной перспективе (2040 годы) гибридные энергоустановки на основе газотурбинного двигателя, ЭХГ, различного вида накопителей энергии могут быть эффективно использованы в качестве маршевых силовых установок транспортных и магистральных пассажирских самолетов. Предварительно облики таких силовых установок также прорабатываются в ЦИАМ.
Одним из важных результатов работы ЦИАМ в данной области в течение последних лет является определение перечня организаций, имеющих существенный научно-технический задел в области ЭХГ и устройств, обеспечивающих их функционирование. Налаживание с этими организациями устойчивых связей и образование кооперации позволяет приступить к формированию целевой программы по практическому созданию и проведению летных испытаний на летающей лаборатории-демонстраторе бортовой вспомогательной ЭУ на основе топливных элементов для перспективных самолетов. Открытие такой программы становится все более насущной задачей.
- Одним из актуальных направлений развития авиации является повышение скорости полета. Какие приоритетные задачи стоят перед исследователями при проведении работ по этому направлению?
- В зависимости от назначения летательного аппарата освоение больших сверхзвуковых скоростей полета в воздушном пространстве будет связано либо с применением комбинированной силовой установки (КСУ), включающей газотурбинный или ракетный и прямоточный двигатели, либо с применением прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД, СПВРД, ГПВРД).
В мировом сообществе работы в этом направлении ведутся более 50 лет, но далее создания демонстраторов для проведения стендовых и/или летных испытаний дело не идет. И связано это с теми сложными задачами, которые необходимо решить при создании многоразового ЛА, способного осуществлять продолжительный крейсерский полет - не менее часа - со скоростью в несколько раз превышающей скорость звука в воздухе.
Одна из основных задач - обеспечение работоспособности конструкции ЛА и его силовой установки при высоких температурах. Так, например, при полете в атмосфере со скоростью в шесть раз превышающей скорость звука, летательный аппарат обтекается воздухом с температурой около 1650 К (1380 град Цельсия), а в камере сгорания двигателя, который "толкает" такой аппарат, температура газа достигает значений 2500-2800 К (или 2230-2530 град Цельсия). Современные конструкционные материалы, которые могут применяться для таких ЛА и СУ, обеспечивают работоспособность конструкции при температурах не более 1100-1300 град Цельсия. Поэтому как весь ЛА, так и его СУ необходимо охлаждать. В решении этой задачи упор делается на разработку технологий, обеспечивающих эффективную теплозащиту конструкции.
Вообще говоря, если очертить круг основных научных проблем, с которыми встречаются разработчики авиационной техники для больших скоростей полета, то они относятся к различным областям знаний: это и конструкционные материалы, и теплообмен, и газодинамика, и аэротермохимия, и система регулирования, и многое другое. Надо сказать, что каждая из этих проблем содержит в себе много научно-технических и конструкторских задач, не решенных на данный момент.
В настоящее время наиболее приоритетной и сложной задачей в этом направлении является создание двигателя, способного обеспечивать продолжительный полет гиперзвукового ЛА. У ЦИАМ есть удачные наработки в данной области, получившие мировую известность, и мы продолжаем исследования в этом направлении.
