Для обеспечения конкурентоспособности в авиационном двигателестроении требуется постоянная работа по формированию научно-технического задела (НТЗ), научному сопровождению опытно-конструкторских работ и развитию исследовательской и экспериментальной базы. Именно на этих направлениях сегодня сосредоточен Центральный институт авиационного моторостроения.
Равнопрочная конструкция
Гражданское самолетостроение в начале XXI века столкнулось с вызовом высоких нефтяных цен: рост стоимости авиационного керосина потребовал от промышленности создания воздушных судов с заметно сокращенным расходом топлива. Пути решения этой проблемы были различными: в сегменте сверхбольших широкофюзеляжных лайнеров появился гигант Airbus A380, обеспечивший сокращение расхода топлива на пассажирокилометр за счет роста кресельной емкости. Дальнемагистральный сегмент принял в эксплуатацию революционные проекты Boeing 787 и Airbus A350 XWB, отличающиеся беспрецедентно широким использованием композиционных материалов. И в первом, и во втором случае самолетостроители опирались не только на достижения в материаловедении, аэродинамике и создании совершенного бортового радиоэлектронного оборудования, но и на новейшие авиадвигатели. А в самом массовом классе - узкофюзеляжных среднемагистральных самолетов - западные производители основной прирост показателей получили именно за счет использования нового поколения авиационных двигателей.
Отечественные самолетостроители, создавая перспективный среднемагистральный самолет МС-21, также ориентировались на двигатели с улучшенными показателями по топливной экономичности, с меньшим уровнем шума и выбросом вредных веществ и с высокими характеристиками надежности и ресурса. Ответом на эти запросы стал ПД-14, однако предусмотрена и альтернатива - двигатель семейства Pratt&Whitney PW1400G.
Создание ПД-14, безусловно, в перспективе может стать самым значимым прорывом в отечественном гражданском авиационном двигателестроении, и о его достоинствах можно рассуждать достаточно долго. Однако эта программа, подобно лакмусовой бумаге, отразила общее состояние среды, в которой сегодня ведутся разработка и испытания новых изделий. И здесь, увы, невозможно обойтись без сожалений и критических замечаний. Во-первых, разработка двигателя стартовала на два года позже, чем разработка самолета. Во-вторых, на момент начала работ отсутствовали в достаточной мере экспериментально-отработанные технологии и технические решения. Наконец, было допущено отступление от общепринятой методологии создания двигателя, требующее проведение экспериментальных исследований узлов, газогенератора и двигателя на высотных стендах во всей области эксплуатации.
В результате ПД-14 "не успевает" к первому полету МС-21. Сегодня опытные двигатели уже начали полеты на летающей лаборатории и завершили этап испытаний в НИЦ ЦИАМ, однако окончание натурных испытаний, прохождение которых откроет путь двигателю к установке под крыло лайнера, все еще впереди. И, что весьма печально, отставание "мотористов" наблюдается не только в гражданской авиации. Самолет Т-50, создаваемый по программе Перспективного авиационного комплекса фронтовой авиации, свой первый полет осуществил на двигателе первого этапа, глубокой модификации двигателя 4 поколения, который по основным характеристикам уступает зарубежным двигателям 5-го поколения F119 и F135. Перспективный широкофюзеляжный самолет, который Россия рассчитывает создать в партнерстве с Китаем, также рискует либо задержаться на старте, либо использовать отечественный двигатель вторым темпом.
Эта ситуация вовсе не является подтверждением того, что мотористы - тугодумы. Анализируя опыт разработки авиадвигателей, как в Советском Союзе и России, так и за рубежом, можно прийти к выводу, что на создание нового поколения двигателей уходит в 1,5-2 раза больше времени, чем на создание самолетов. По оценке генерального директора ФГУП ЦИАМ Владимира Бабкина, для того, чтобы синхронизировать выход на рынок двигателя и самолета, нужно запускать опытно-конструкторские работы по первому как минимум на два-три года раньше, чем по платформе. "Создание двигателей - ничуть не менее сложный процесс, чем создание платформы, для которой двигатель предназначается, - подчеркнул он. - Зарубежный опыт говорит, что в том случае, когда ОКР по двигателю задается на два-три года раньше ОКР по платформе, а НТЗ создается непрерывно, в этом случае двигателестроители имеют успех".
Рождение ПД-14 является показательным примером: пусть и запоздалое, но все же состоявшееся выделение средств на формирование НТЗ позволило в кратчайшие сроки обеспечить выполнение ОКР. Всего за полтора года был создан газогенератор - демонстратор технологий, а через три года появился двигатель - демонстратор. Однако эти образцы родились не на пустом месте. Как рассказал научный руководитель - заместитель генерального директора Центрального института авиационного моторостроения Александр Ланшин, в первой половине 2000-х ЦИАМ и ЦАГИ сформировали базовый набор требований к двигателю для наработки научно-технического задела. Совместно с промышленностью были выбраны два базовых облика перспективного двигателя: один с прямым приводом вентилятора, второй - с редукторным. И для этих двух обликов определили критические технологии для будущего двигателя.
Перелом произошел только в 2009 году, когда бюджетное финансирование позволило интенсифицировать работы по созданию двигателя. Но к этому моменту уже была выбрана схема двигателя, газогенератор которого состоял из восьми ступеней компрессора и двух ступеней турбины высокого давления. ЦИАМ рассчитал и разработал вентиляторную лопатку, которая обеспечила не только низкий уровень шума, но и повышение КПД вентилятора на 4-5% по сравнению с ранее достигнутым уровнем. Также институт рассчитал компрессор высокого давления, в котором степень повышения давления, аналогичная показателю ПС-90А достигнута на восьми ступенях вместо 13. "Это ли не прорыв? Это ли не заслуга института?", - задается вопросом В.Бабкин.
Пример ПД-14 свидетельствует о том, что в цепочке создания авиационного двигателя, равно как и любой другой сложной технической системы, все элементы должны быть "равнопрочны" - то есть, профинансированы и исполнены своевременно и в полном объеме. Проведение поисковых исследований и отработка базовых технологий и узлов являются залогом быстрого и малорискового выполнения опытно-конструкторских работ. И в создании двигателя подготовка производства является важным, но все же не большим приоритетом, чем любой из предшествующих этапов.
Школа и база авиадвигателестроения
Создание новой авиационной техники со времен Советского Союза осуществлялось в тесном взаимодействии академических и отраслевых институтов, конструкторских бюро и серийных заводов. Каждый из участников этой цепочки занимал свою нишу и решал свойственные только ему задачи. Значительный объем работ приходился на долю головных отраслевых институтов. В частности, ЦИАМ занимался составлением прогноза и определением уровня научно-технического развития подотрасли авиадвигателестроения, определением показателей технического совершенства двигателей. На основании выявленных тенденций и сформированных целевых показателей определялся такой набор технологических и конструктивных решений, который позволил бы достичь желаемого уровня совершенства авиадвигателей. После выбора перспективных направлений специалисты института включаются в создание опережающего научно-технического задела, включая разработку и отработку узлов. Следуя рука об руку с конструкторами, ученые помогают в создании, доводке и сертификации новых двигателей. И даже тогда, когда мотор производится серийно, институт ведет научное сопровождение его эксплуатации по надежности и безотказности. Наконец, ЦИАМ не только занимается организацией и проведением исследований, но и постоянно работает над совершенствованием нормативно-правовой и нормативно-технической базы, то есть фактически работает над совершенствованием правил игры, действующих при создании, производстве и эксплуатации авиационных двигателей. Такой обширный перечень проблем, решаемых институтом, в полной мере подкреплен и его потенциалом, и официальным статусом Государственного научного центра и головного института по авиадвигателестроению.
Сохранение статуса не только в официальных документах, но и по факту осуществляемой деятельности, В.Бабкин объясняет наличием научных школ, возглавляемых крупными учеными. "В ЦИАМе работают большие ученые, созданы серьезнейшие научные школы, которые признаны не только в отечественном двигателестроении, но и институтами Российской академии наук, вузами, университетами, научно-исследовательскими университетами", - подчеркнул он. И пусть здесь никогда не работали Нобелевские лауреаты, имена выдающихся ученых, трудившихся в стенах ЦИАМ, гремели на весь мир. Ростислав Келдыш, Георгий Свищев, Всеволод Авдуевский, Леонид Седов, Александр Микулин, Архип Люлька, Владимир Климов, Сергей Туманский, Владимир Челомей, Горимир Черный... Сейчас в Институте трудится академик РАН Олег Фаворский. Сегодня в ЦИАМ работает около 40 докторов наук и почти 180 кандидатов в доктора.
В.Бабкин подчеркнул высокую результативность научной деятельности, осуществляемой сотрудниками института: ежегодно около ста статей в научных журналах, порядка трехсот научно-технических отчетов, более двухсот нормативно-технических или нормативно-правовых документов. При этом ЦИАМ находится в числе лидеров по количеству получаемых патентов. Так в 2014 году получено 42 патента, в первом полугодии 2015 - 27. При этом поддерживается около 230 патентов, 122 из которых используется.
Уверенно смотреть в будущее позволяет позитивная тенденция роста численности сотрудников и постепенное омоложение коллектива. На конец II квартала 2015 года средний возраст сотрудников составлял 48,7 лет при численности 2 625 человек, двумя годами ранее он был равен 50,4 годам, а работало в институте на 5,6% меньше сотрудников. За это же время средняя заработная плата увеличилась на 11% и достигла 68 тыс. рублей.
Привлечение в институт перспективных молодых кадров возможно лишь при условии создания перспектив развития в институте, а это кропотливая и масштабная работа. Так и исследовательская и экспериментальная база требует приложения серьезных усилий, направленных на ее сохранение. Доставшееся институту еще со времен СССР наследство использовалось весьма интенсивно: в конце 1980-х годов термобарокамеры, расположенные как на московской площадке, так и в Тураевском комплексе, нарабатывали более 2000 газочасов, а разработчики двигателей выстраивались в очередь, чтобы "доводить" свои моторы. В Тураево работает восемь крупных термобарокамер, и порядка 20 стендов для поузловой доводки.
Сегодня не приходится жаловаться на отсутствие внимания к развитию экспериментальной базы со стороны государства: реконструкция и развитие проходила в рамках программы "Национальная технологическая база", кроме того предусмотрено выделение средств на модернизацию и строительство новых стендов в Федеральной целевой программе "Развитие оборонно-промышленного комплекса РФ на 2011-2020 гг". Но ситуация серьезно отличается от того, что было три десятилетия назад: очереди на испытания новых двигателей уже нет. Сократилось число разработок, которые ведет отечественная промышленность, ряд работ КБ стараются перенести на свои площадки, стремясь сэкономить. В то же время Институт ведет непрерывную работу и несет расходы по содержанию экспериментальной базы в надлежащем для проведения испытаний состоянии. Это не простая задача для научной организации. Если же решение о создании нового поколения двигателей для дальнемагистральных самолетов будет принято, то потребуется создание новых стендов, новой инфраструктуры.
На пути к шестому, не забывая о пятом поколении
Каким будет двигатель следующего, шестого, поколения? Что будет из себя представлять мотор седьмого поколения? Сегодня однозначных ответов на эти вопросы нет. Точнее, определены ключевые параметры, которые характеризуют совершенство конструкции: удельного расхода топлива, удельной тяги, удельного веса, надежности, отказобезопасности, технологичности, ресурса, экологичности. Но ученым еще предстоит разработать технологии, которые откроют путь к новым вершинам.
Так, по словам А.Ланшина, ЦИАМ в партнерстве с ЦАГИ, "Объединенной авиастроительной корпорацией" и "Объединенной двигателестроительной корпорацией" наметил индикаторы в развитии перспективных двигателей и рассмотрел те решения, которые позволят к ним приблизиться. К примеру, перспективная схема открытого ротора сулит заметное увеличение полетного КПД. Однако этой схеме сопутствуют рост размеров и массы силовой установки, снижение удельной тяги, рост уровня шума и вибронагруженности. ЦИАМ уже отработал некоторые компоновочные и конструктивные решения, которые позволят создать установку с приемлемым уровнем шума.
Второе направление, позволяющее немного повысить эффективность двигателя - "подтянуть" параметры рабочего цикла за счет промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и регенерации тепла при расширении.
В 2011 году была запущена научно-исследовательская работа "Двигатель 2020-2025", в рамках которой были проработаны пять основных схем перспективных двигателей. По ключевым узлам и критическим технологиям, которые определяют техническое совершенство конструкции, намечена программа действий по их отработке, своего рода дорожная карта. Осталось лишь начать воплощать ее в жизнь.
Важно отметить, что создание двигателей различной размерности и разного назначения потребует отработки многих решений. К примеру, открытый ротор - перспективное решение для региональных самолетов, для которых скорость М=0,78-0,80 является предельной. Для дальнемагистральных воздушных судов важны и высокие скорости, и отличные показатели по экономичности, в этом сегменте в будущем править бал будет распределенная силовая установка. Критичной же станет, к примеру, технология вентилятора с углепластиковыми лопатками и композитным корпусом. В турбине потребуется широко применять керамику и интерметаллиды, позволяющие повысить рабочие температуры без применения охлаждения. В свою очередь, вертолетные двигатели, помимо широкого использования композитных изделий, будут соответствовать концепции "сухого" двигателя.
Нет сомнений, что достижение высоких параметров невозможно без перехода на новые материалы. Один из лимитирующих факторов, определяющих параметры цикла - температура газа перед турбиной. Каждое новое поколение двигателей демонстрирует рост минимум на 100 градусов, шестое поколение должно обеспечить еще больший прирост. Новые схемы охлаждения рабочих лопаток позволяют обеспечить работу турбины при температуре, значительно превышающей уровень, при котором материалы, из которых делаются лопатки, теряют свои свойства. Следующий шаг - создать лопатки из керамокомпозитов - уже пытаются сделать западные производители, на рубеже десятилетий в серию должно пойти семейство двигателей GE9X, в которых керамическими будут жаровая труба камеры сгорания, проставки над рабочим колесом первой ступени турбины высокого давления, сопловые лопатки второй ступени турбины высокого давления.
Впрочем, В.Бабкин приземляет собеседников, которые увлеченно рассуждают о направлениях прорыва. "Мы, конечно, делаем технику для полетов, но были бы неправы, если бы оторвались от реальности, - констатирует он. - Нужно разворачивать работу по созданию элементов и узлов двигателя шестого поколения, думать о том, чтобы завтра включаться в работы над технологиями седьмого поколения. Но прежде всего следует наверстать отставание, накопленное за два десятилетия, и завершить переход от четвертого поколения к пятому".
Вместо заключения
Говорят, что нет худа без добра. Американские моторостроители представили проект двигателя с адаптивным циклом для перспективного истребителя. Как показала практика многих десятилетий, успехи заокеанских авиаторов являются одним из значимых стимулов для запуска собственных исследовательских программ. Для того чтобы не отстать в гонке технологий необходимо действовать очень быстро и четко организовывать процесс создания двигателя и отдельного финансирования работ по двигателю в рамках программы создания комплекса или самолета. Может, стоит сыграть на опережение? Ведь все, что для этого требуется - научные школы, конструкторские коллективы, экспериментальная база - в России есть.
Олег Пантелеев
