Вот уже тридцать лет нет соперников уникальному двигателю Д-30Ф6
Еженедельник «Военно-промышленный курьер» неоднократно рассказывал о непревзойденном российском сверхзвуковом истребителе-перехватчике МиГ-31. В частности, в №№ 40, 41 за 2012 год много внимания уделено испытаниям создававшейся системы дальнего перехвата. Нынешний материал – о силовой установке, ставшей своего рода образцом успешных инноваций, кооперации коллективов и результатом доблестного труда предприятий отечественного авиапрома.
Взлетающий МиГ-31 у каждого пермского моторостроителя вызывает чувство восторга и гордости. Мощь перехватчика поражает. Валерий Меницкий, летчик-испытатель, Герой Советского Союза: «Я могу с полной уверенностью сказать: такого самолета нет ни у Соединенных Штатов, ни у наших европейских оппонентов. В данном комплексе заложены громаднейшие потенциальные возможности».
Появившийся более 30 лет назад на вооружении советских Войск противовоздушной обороны сверхзвуковой истребитель-перехватчик МиГ-31 до сих пор является самым скоростным и высотным боевым самолетом в мире. В значительной степени его уникальные характеристики обусловлены возможностями силовой установки, включающей в себя два двигателя Д-30Ф6.
Новаторское решение
Двигатель для МиГ-31 должен был обеспечивать следующие технические параметры: максимальную скорость МП=2,83, максимальную скорость у земли 1500 км/час, дальность полета с подвесными топливными баками 3300 км, практический потолок 20 600 м, тягу на максимальном бесфорсажном режиме 9500 кгс, тягу на полном форсированном режиме 15 500 кгс, удельный расход топлива (расход единицы топлива на единицу тяги в час при Н=0, М=0): на максимальном форсированном режиме 1,9 кг/кгс ч, на максимальном бесфорсажном режиме 0,72 кг/кгс ч.
Такие жесткие требования к двигателю были обусловлены необходимостью создания истребителя-перехватчика для борьбы с новыми образцами стратегического и наступательного вооружения, способного обнаруживать и уничтожать воздушные цели, летящие на предельно малых, средних и больших (до 30 км) высотах и на скоростях до 4000 км/час.
Для такого уникального по своим свойствам самолета требовался не менее уникальный двигатель большой мощности при высокой экономичности. Разрабатывать этот двигатель было поручено пермскому моторостроительному конструкторскому бюро (МКБ) под руководством П. А. Соловьева (в настоящее время ОАО «Авиадвигатель», генеральный конструктор А. А. Иноземцев).
Соловьев принял решение делать двухконтурный двигатель с форсажной камерой со смешением потоков внешнего и внутреннего контуров двигателя. В то время нашлось немало противников такой схемы, так как силовых установок по подобной схеме еще не производилось.
Создание двигателя Д-30Ф6 с заданными характеристиками в уникальном диапазоне полетных условий представляло собой сложную научно-техническую проблему со многими неизвестными и «белыми пятнами».
Вехи истории
История и методология создания и доводки турбореактивного двухконтурного двигателя Д-30Ф6 для истребителя-перехватчика МиГ-31 уходит в далекие 50-е годы ХХ века и достойна глубокого и пристального изучения. Пермское МКБ с самого начала своего создания в 1939 году уделяло большое внимание перспективным разработкам.
П. А. Соловьев после ухода из жизни в 1953 году А. Д. Швецова стал одним из самых молодых главных конструкторов в стране. В то же время он уже обладал очень большим опытом конструирования и доводки двигателей, а главное – имел очень ценное качество – дар предвидения, основанный на теоретических знаниях и интуиции. Этот дар, подкрепленный расчетами специалистов МКБ, помог своевременно определить правильное направление в выборе перспективной на многие годы схемы двигателя – двухконтурной.
Проявляя умение «показать товар лицом», П. А. Соловьев доказывал расчетами, что двухконтурные двигатели обладают выдающимся набором экономических и эксплуатационных характеристик, позволяют реализовать высокие степени сжатия в компрессоре и высокие температуры газа перед турбиной при малых потерях с выходной скоростью отбрасываемого потока. Последующая история развития мирового двигателестроения подтвердила правильность сделанного тогда выбора. П. А. Соловьева можно вправе считать первопроходцем по развитию двухконтурных двигателей у нас в стране, а пермское МКБ – передовой лабораторией по их разработке. 1955 год. Первый в этом ряду двигатель Д-20 (R=6800 кгс) представлял собой двухвальный двухконтурный (m=1,5) двигатель с форсажем в наружном контуре. Д-20 проектировался и испытывался в 1955–1956 годах, и работы по его доводке позволили получить ценные данные для создания двигателей подобной схемы.
1956 год. Выдающимся для своего времени проектом стал двухконтурный двигатель Д-21. Двигатель был спроектирован по одновальной схеме с общей форсажной камерой, с высокой температурой перед турбиной (ТСА*=1400 К) и рассчитан на очень высокую сверхзвуковую скорость полета. При этом МКБ взяло на себя разработку регулируемого сверхзвукового воздухозаборника, сложного и ответственного узла, традиционно проектировавшегося и создававшегося самолетчиками. Испытания, проведенные в ЦАГИ, подтвердили, что всережимный воздухозаборник, разработанный в МКБ по оригинальной осесимметричной схеме, по своим параметрам значительно превосходил существующие образцы. Двигатель Д-21 намного опередил свое время. Аналогичный одновальный ТРДДФ, но на несколько меньшую скорость полета – французский двигатель М-53 для самолета «Мираж 2000» создан на 20 лет позже. К сожалению, работы по двигателю Д-21 в 1960 году были остановлены в связи с прекращением работ по самолету.
1966–1967 годы. Спроектирован, изготовлен и испытан двигатель Д-30Ф (изделие 38) на тягу Rф=11,5 тс, а в 1971 году двигатель № 38-04 прошел испытание на высотном стенде ЦИАМа для проверки работоспособности форсажной камеры при малых давлениях воздуха на входе в двигатель.
Проекты 50–60-х годов ХХ века (Д-20, Д-21 и Д-30Ф) опережали свое время, так как еще долгие годы в сверхзвуковой авиации господствующее положение занимали одноконтурные ТРД, однако требование многорежимности (сочетание дозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета), лучшие эксплуатационные характеристики и ряд других преимуществ привели к тому, что и в сверхзвуковой авиации всего мира двухконтурные двигатели в 70-х годах стали занимать доминирующее положение.
Впервые в стране
Предварительные работы в МКБ по созданию форсажного двигателя Д-30Ф6 начались согласно приказам Министерства авиационной промышленности (МАП) от 27.01.1970 года и от 16.08.1971 года, а полномасштабные НИОКР – позднее на основании постановления ЦК КПСС и Совета Министров от 12.05.1974 года и приказа МАП от 01.07.1974 года. В короткое время, используя опыт, полученный при создании демонстрационного двигателя (изделия 38), был разработан проект нового сверхзвукового ТРДДФ Д-30Ф6.
Двигатель проектировался с использованием аэродинамики компрессоров моторов Д-30 (Ту-134) и Д-30КУ/КП (Ил-62 и Ил-76) при необходимых конструктивных изменениях, обусловленных новыми условиями эксплуатации.
Выбор в 1955 году размерности газогенератора и его семиступенчатого компрессора высокого давления (КВД) для ТРДД Д-20 позволил, не меняя размерности базовых семи ступеней, создать семейство ТРДД с тягой от 5,5 до 16 тс.
Из воспоминаний В. М. Чепкина (в то время заместителя главного конструктора в пермском МКБ, позднее генерального конструктора ОКБ имени А. М. Люльки): «Революционность вновь разрабатываемого двигателя заключалась в том, что двухконтурный двигатель со степенью сжатия 22 мы применили для самолета, который летает на скорости 3000 км/час. Нам все говорили, что такой мотор не получится, поскольку мы довели показатель температуры газа перед турбиной до 1640 К, когда по тем временам все летали на уровне 1400 К. Конечно, такие изменения потребовали новой системы охлаждения, новых материалов лопаток и дисков турбин, новой идеологии доводки двигателя. Проблем была масса, споры были страшные, мы получили огромное количество отрицательных заключений, в том числе и от Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ). Но мы смогли всех убедить».
Был решен ряд новых вопросов: выбраны оптимальные параметры двигателя, в частности степень двухконтурности m=0,5, ставшая классической для многих последующих проектов двигателей подобного назначения у нас в стране и за рубежом, выбраны параметры и программы регулирования трех контуров двигателя (основной контур, контур регулирования сопла и контур регулирования расхода топлива форсажной камеры), обеспечивающие поддержание оптимальных тягово-экономических и эксплуатационных характеристик двигателя.
В частности, была разработана специальная программа повышения температуры газа перед турбиной с увеличением скорости полета самолета. Это обеспечило получение требуемой тяги во второй критической точке: на высоте 20 км и при скорости полета 2500 км/час. Позже ученые ЦИАМа назвали это «температурной раскруткой». Таким образом, была разработана методика получения крутой скоростной характеристики двигателя, ставшая впоследствии также классической для последующих проектов.
Особо необходимо выделить разработку системы автоматического управления и топливопитания (САУ и ТП), где впервые в отечественной практике была спроектирована и внедрена ЭВЦМ в качестве основного регулятора режимов работы ТРДД (РЭД-3048). Работы по этой системе были выполнены в Пермском агрегатно-конструкторском бюро (ПАКБ) под руководством главного конструктора А. Ф. Полянского, а затем Г. И. Гордеева.
По причине низкой в то время надежности элементной базы на двигателе Д-30Ф6 были установлены две системы управления: основная – цифровая РЭД-3048 и дублирующая – гидромеханическая САУ.
Идеология, алгоритмы и доводка электронно-гидро-механической САУ и ТП выполнялись совместно специалистами МКБ П. А. Соловьева и ПАКБ (в настоящее время ОАО «СТАР»).
Впервые в нашей стране для анализа нестационарного теплового состояния топливо-масляной системы высокотемпературного двигателя была применена математическая модель, что позволило не отправлять двигатель в ЦИАМ для испытания на высотном стенде. Тепловое состояние системы в полетных условиях было проанализировано с помощью матмодели. Полученные данные увязали с результатами стендовых, а затем и летных испытаний. Данную работу высоко оценили специалисты ЦИАМа и в дальнейшем зачли на государственных испытаниях двигателя.
Доводка двигателя
Большие трудности в процессе доводки представляла основная камера сгорания (КС). В отечественном и зарубежном авиадвигателестроении имелись КС, работающие при ТК*900 К, а для Д-30Ф6 требовалось обеспечить надежную и эффективную работу при ТК*=1024 К.
В результате интенсивных научно-исследовательских, расчетных и экспериментальных работ совместно с ЦИАМом были найдены эксклюзивные решения: для исключения горения топлива вдоль стенок жаровых труб введена подача охлаждающего воздуха через гофрированные кольца между секциями жаровых труб, для формирования равномерного поля температур на входе в турбину предусмотрено перераспределение подвода воздуха с помощью специальных отверстий в зоне смешения жаровой трубы, первоначальная разборная конструкция форсунки не обеспечивала герметичности при ТК*>950 К и только разработка и внедрение сварной конструкции форсунки с применением электронно-лучевой сварки обеспечили ее полную герметичность.
Турбина высокого давления. Для обеспечения работоспособности и требуемого ресурса при ТСА*=1640 К, в первую очередь лопаток, были отработаны конструкции сопловых и рабочих лопаток 1 и 2-й ступеней с конвективно-пленочным и конвективным охлаждением, для чего необходимо было увеличить хладоресурс воздуха, отбираемого на охлаждение турбины.
С этой целью впервые в отрасли был разработан и применен воздухо-воздушный теплообменник в наружном канале двигателя. Снижение температуры охлаждающего воздуха на 20–40 процентов позволило повысить температуру газа перед турбиной на 90–180 К, что доказало целесообразность и эффективность данного мероприятия.
Форсажная камера (ФК). При доводке двигателя остро стояла проблема исследования виброгорения в ФК, которое проявилось в условиях, отличных от земных. Изучение этого вопроса требовало проведения дорогостоящих, занимающих значительное время испытаний на высотном стенде ЦИАМа или в полете. По заданию генерального конструктора были проведены исследования с помощью адекватной «увязки» математической модели двигателя, которая показала возможность имитации эксплуатационных условий работы ФК на собственных стендах. Для этого в МКБ создали два специальных стенда с имитацией летных условий по температуре для испытания двигателя в условиях, близких к полетным. Это позволило существенно сократить время доводки ФК и сэкономить значительные средства. Проблему решили проведением испытаний на стендах предприятия на эквивалентном режиме. Впервые в отечественной практике в конструкцию двигателя ввели систему впрыска и розжига топлива в ФК методом «огневой дорожки».
Интересна история создания и доводки многорежимного регулируемого сопла. Первоначально сопло было разработано и затем вплоть до летных испытаний поставлялось ТМКБ «Союз», которое победило МКБ в конкурсе, поскольку в отличие от пермского КБ имело опыт разработки регулируемых сопел. Это была красивая, профессионально спроектированная конструкция. Первые испытания выявили недостатки: повышенные утечки, недостаточная жесткость – из-за чего «раздувалось» критическое сечение сопла, превышение по массе и другие. Коллеги поправили жесткость, а с утечками и массой не справились.
Длительная безрезультатная переписка, переговоры. Настал момент, когда генеральный конструктор принял решение: «Делать сопло самим». Опыта разработки таких узлов МКБ не имело, но за работу принялись горячо и с азартом, проштудировав горы технической литературы и используя наработки своих московских коллег. Конечно, и в собственной конструкции проявились дефекты и недостатки, но их устраняли и быстрее, и эффективнее.
Для обеспечения летных характеристик МиГ-31 необходимо было обеспечить регулирование работы сопла в чрезвычайно широком диапазоне, а именно: при максимальной скорости полета МП=2,83 степень понижения давления газа в сопле двигателя меняется практически в 20 раз, при этом степень расширения сопла (отношение площади выходного сечения к площади критического сечения) – более чем в три раза.
При таких условиях работы возникали потеря газодинамической устойчивости, тряска сопла (так называемая бу-бу-ляция). Эту проблему решили организацией перепуска атмосферного воздуха в проточную часть двигателя на режимах неустойчивой работы без ухудшения характеристик сопла на основных режимах с помощью специальных клапанов на створках сопла, конструкция которых была запатентована.
Неожиданная проблема по соплу возникла в процессе летных испытаний: при полете на больших скоростях и на малых высотах ухудшалась управляемость самолетом, при этом от летчика требовались огромные усилия для его пилотирования. В результате проведения большого объема экспериментальных работ, в том числе киносъемки, было выявлено, что на этих режимах полета по причине нежесткой конструкции не обеспечивается синхронизация элементов сопла, происходит самопроизвольное изменение положения критического сечения сопла и, соответственно, изменение вектора тяги двигателя. Проблему удалось решить за счет изменения кинематических параметров системы управления створками, обеспечив газодинамическую синхронизацию створок сопла и, главное, устойчивость и стабильность вектора тяги двигателя.
В окончательном виде Д-30Ф6, конечно, стал сильно отличаться от первоначального проекта.
В первую очередь это касалось материалов: двигатель был сделан из новых титановых, никелевых сплавов и высокопрочных сталей разработки ВИАМа (руководители института: до 1976-го – А. Т. Туманов, после 1976-го – Р. Е. Шалин, с 1996-го по настоящее время – академик РАН Е. Н. Каблов). А геометрические размеры двигателя, определенные тогда еще, в 60-х годах, не изменились. В процессе разработки и доводки в конструкции двигателя Д-30Ф6 внедрено 52 технических решения, которые являются изобретениями и защищены авторскими свидетельствами.
Д-30Ф6 в строю
Первый полет МиГ-31 с уникальными двигателями Д-30Ф6 совершил 16 сентября 1975 года. Государственные испытания, включая войсковые, Д-30Ф6 успешно прошел в 1979-м. Решающее значение для проведения госиспытаний Д-30Ф6 в заданные сроки имело освоение двигателя на самых ранних стадиях в серийном производстве пермского производственного объединения «Моторостроитель» им. Я. М. Свердлова (в настоящее время ОАО «ПМЗ»).
Высокие параметры двигателя позволяют МиГ-31 обеспечить высокую маневренность, большую дальность, уникальную скороподъемность, длительное время барражирования (с дозаправкой – до шести часов) и значительное превосходство в воздухе. В начале 90-х годов ХХ века производство МиГ-31 и Д-30Ф6 было свернуто. Вместе с тем истребитель-перехватчик до сих пор несет боевую службу в авиаполках по всей России, охраняя наши границы.
В настоящее время специалистами ОАО «Авиадвигатель», ОАО «ПМЗ», ОАО «СТАР» и 13-й ГНИИ МО РФ проводится планомерная работа по поэтапному увеличению ресурсов и сроков службы двигателя Д-30Ф6, которая позволяет сохранить парк без снижения уровня безотказности и обеспечивает необходимую боеготовность частей МО, эксплуатирующих данные самолеты. Это стало возможным за счет запасов надежности, заложенных при проектировании и производстве двигателя Д-30Ф6, а также рациональной системы технического обслуживания, методология которой разработана специалистами ОАО «Авиадвигатель» и ОАО «ПМЗ» совместно со специалистами НИИ промышленности и МО.
Основные модификации
На базе МиГ-31 создано немало вариантов: МиГ-31Б, МиГ-31БС, МиГ-31БМ, МиГ-31ДЗ, МиГ-31ЛЛ и другие, а двигатель Д-30Ф6 более 30 лет достойно удовлетворяет всем требованиям непревзойденных по техническим показателям современных истребителей-перехватчиков. Модернизированные двигатели Д-30Ф6 были установлены на экспериментальном перспективном самолете пятого поколения Су-47 «Беркут» с крылом обратной стреловидности.
Другой знаменитой машиной с этими двигателями (бесфорсажный вариант) стал самолет-разведчик КБ имени В. М. Мясищева. Он появился по заказу Минобороны СССР, но эпоха конверсии заставила разработчиков искать своему детищу новое применение. Так появился самолет М-55 «Геофизика» – уникальная машина, равной которой в мире до сих пор нет.
Совершив свой первый полет в 1988 году, М-55 установил шестнадцать мировых рекордов. «Геофизика» может выполнять длительный (до шести часов) полет на высоте свыше 20 км. Машина имеет больший запас прочности и грузоподъемности по сравнению с западными аналогами. Это позволяет нашему «высотнику» взлетать и садиться не только в тихую погоду, но и при сильном ветре, а также поднимать в воздух до полутора тонн научного оборудования. За десять лет в рамках международных программ были совершены полеты в небе над Европой, Арктикой, Антарктидой, Австралией, Индийским океаном, Латинской Америкой и экватором. В таких жестких условиях не бывал еще ни один отечественный самолет. Вся мировая авиатехника создается для работы в диапазоне температур от -60 до +60 градусов по Цельсию. Пермские двигатели оказались в условиях запредельных температур и показали себя достойно.
Трудовая слава
Создание, серийный выпуск и начало эксплуатации первого в нашей стране двухконтурного двигателя четвертого поколения Д-30Ф6 для сверхзвукового самолета-истребителя МиГ-31 за беспрецедентно короткий срок являются большим достижением авиационной промышленности, институтов МАП и ВВС.
По словам командующего в 90-е годы пермским авиационным полком Валерия Григорьева, «МиГ-31 – это один из лучших самолетов всех времен и народов, непревзойденный шедевр авиастроения. Он и в советское время, и сейчас не исчерпал свой потенциал. По большому счету этот самолет можно использовать еще десятки лет, если машину постоянно модернизировать. Нет другого серийного самолета в мире, который летает со скоростью 3000 км/час и способен на такой большой дальности обнаруживать воздушные цели».
В создании двигателя Д-30Ф6 принимали участие десятки научных институтов отрасли и МО, сотни трудовых коллективов и тысячи тружеников страны. Это была государственная программа, во главе которой стояло пермское МКБ под руководством генерального конструктора Павла Александровича Соловьева – нашего Учителя.
Коллектив ОАО «Авиадвигатель» гордится своим детищем – Д-30Ф6 и с благодарностью вспоминает сотрудничество со всеми участвующими организациями. В этой связи еще раз необходимо особо отметить сотрудничество пермского МКБ и серийного завода, продемонстрировавшее глубокую интеграцию конструкторского, технологического и производственного потенциала двух коллективов.
В настоящее время ОАО «Авиадвигатель», используя опыт и методологию создания предшествующих двигателей (Д-20П, Д-30, Д-30КУ/КП, Д-30Ф6, ПС-90А и их модификаций), а также целой гаммы газотурбинных установок для энергетики и газоперекачивающих агрегатов, в кооперации с институтами и предприятиями авиационной промышленности разрабатывает новый перспективный двигатель ПД-14 для семейства магистральных самолетов МС-21.
Александр Иноземцев, Генеральный конструктор ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь
Опубликовано в выпуске № 12 (480) за 27 марта 2013 года
