Владимир Скибин Разработка и производство авиационных турбореактивных двигателей (ТРД) сегодня является одной из наиболее наукоемких и высокоразвитых в научном и техническом отношении промышленных отраслей. Созданы, доведены до серийного выпуска и внедрены в массовую эксплуатацию авиационные газотурбинные двигатели четырех поколений.
Современные двухконтурные форсированные двигатели вдвое более экономичны по сравнению с первыми ТРД, имеют в 6-8 раз меньший удельный вес, их надежность возросла многократно, а ресурс увеличился более чем на два порядка. Развитие авиадвигателей основано на комплексе фундаментальных и прикладных исследований в аэро- и термодинамике, материаловедении, прочности и многих других областях. В двухконтурных турбореактивных двигателях (ТРДД) четвертого поколения параметры термодинамического цикла достигли весьма высокого уровня: температура газа перед турбиной доходит до 1650-1700 градусов Кельвина, степень повышения давления в компрессоре - до 40.
Еще более совершенны авиационные двигатели нового, пятого поколения, разработка которых ведется всего лишь в странах, обладающих необходимым научно-техническим и производственным потенциалом. Помимо России, только США, Англия и Франция владеют полным циклом создания и выпуска авиационных ГГД. Недаром атрибутом великой державы в наше время считается способность создавать и производить авиационные газотурбинные двигатели.
В свою очередь авиационное двигателестроение, базирующееся на наиболее передовых технологиях, стимулирует развитие всех тех отраслей промышленности, где требуются компактные, мобильные и хорошо управляемые источники энергии, - наземный и водный транспорт, теплоэнергетика, газоперекачка, технологии сушки, очистки, пожаротушения и т.д.
Мощная научная и производственная инфраструктура авиадвигателестроения в нашей стране, включающая уникальную по возможностями воспроизведения условий скоростного и высотного полета экспериментальную базу для стендовых испытаний, формировалась в течение многих десятилетий. Ныне, в условиях экономического кризиса, объемы опытно-конструкторских работ и выпускаемой продукции отечественного авиадвигателестроения упали в 5 и более раз, а численность работников снизилась практически вдвое. Производственные мощности предприятий используются всего на 10-20%. В структуре цены на двигатель затраты на топливо, материалы и энергию выросли в 1,5-2 раза и составляют более 50%, а доля фонда оплаты труда уменьшилась в 3-5 раз - до 4-6%. Поэтому разработка новых двигателей и модернизация серийных, создание научно-технического задела в обеспечение двигателей следующего поколения требует серьезных усилий организационно-финансового характера со стороны как государства, так и промышленности.
В последние 25-30 лет вышли на первый план ряд факторов, оказывающих сильное влияние на состояние и перспективы мирового авиадвигателестроения. Среди них в первую очередь необходимо отметить рост стоимости, увеличение полных сроков разработки и цены авиадвигателей. Этот период связан с развитием двухконтурного двигателя как основного типа ГТД для до- и сверхзвуковой авиации, в результате освоения которого рентабельность и экологические характеристики воздушного транспорта, боевая эффективность военной авиации были намного улучшены. Рост стоимостных показателей авиадвигателей приобретает экспоненциальный характер, при этом от поколения к поколению становится больше доля поисковых исследований по созданию опережающего научно-технического задела (НТЗ). Так, по ориентировочным данным для авиадвигателестроения США, при переходе от четвертого к пятому поколению она возрастает по затратам с 15% до 60%, а по срокам - почти в 2 раза.
Создание опережающего НТЗ по перспективным авиационным двигателям является приоритетным направлением в национальной научно-технической политике индустриально развитых стран Запада. Раннее выявление для выполнения данной задачи технических проблем и путей их решения позволяет существенно снизить затраты на разработку и сертификацию двигателя. Лидирующее положение при этом имеет рождение новых технологий применительно к двигателям военного назначения как наиболее напряженным по параметрам процесса. Программы НТЗ финансируются в основном из средств государственного бюджета.
ОСНОВА НЫНЕШНИХ УСПЕХОВ
Высокий конструктивно-технологический уровень решений, реализуемых в двигателях для боевой авиации, определяет их авангардную роль в развитии авиационного двигателестроения в целом. Двигатели для маневренных самолетов-истребителей характеризуются наивысшим уровнем технического, прежде всего весового совершенства. Само появление авиационного ГТД в конце 30-х годов и его широкое распространение в 40-50-х годах, начавшееся с истребительной авиации, связано с органическими свойствами ТРД - возможностью увеличения тяговой мощности в полетных условиях.
Развитие самолетов-истребителей характеризуется непрерывным ростом тяговооруженности (отношения веса к тяге) как средства обеспечения маневренных свойств и превосходства в воздухе. Именно это обстоятельство определяет непрерывное ужесточение требований к снижению удельного веса двигателей маневренных машин. Благодаря уменьшению удельного веса двигателей от уровня 0,7-0,8 (ТРД первого поколения) до уровня 0,12-013 (ТРДД четвертого поколения) взлетная тяговооруженность увеличилась от 0,3 у реактивных истребителей первого поколения до величины, превышающей 1 у современных истребителей четвертого поколения.
Освоение уже в 50-х годах сверхзвуковой области скоростей полета привело к необходимости обеспечения многорежимности силовых установок самолетов, требования к которой еще более ужесточаются в связи с тенденцией к обеспечению многофункциональности современных боевых машин. Результатом этого в истребительной авиации является тенденция более быстрого снижения удельного веса двигателя по сравнению с ростом тяговооруженности самолета.
Решение сложнейшей научно-технической задачи создания двигателя, сочетающего столь противоположные требования, как малый удельный вес и многорежимность, сделало необходимым освоить схему двухконтурного ТРД с форсажной камерой (ТРДДФ), отличающегося весьма сложным рабочим процессом. Это, в свою очередь, потребовало разработки:
- принципиально новых конструкционных материалов с высокой удельной прочностью (титановые, жаропрочные порошковые и монокристаллические сплавы и др.);
- высокотемпературных кольцевых камер сгорания и высокоперепадных турбин;
- малоступенчатых регулируемых компрессоров с большой работой в ступени;
- электронных цифровых систем управления, интегрированных с системой технической диагностики.
Создание в 70-80-х годах базовых ТРДДФ четвертого поколения РД-ЗЗ (ЛНПО им. В.Я. Климова), АЛ-31Ф (ОАО "Люлька-Сатурн"), Д-30Ф6 (ОАО "Авиадвигатель") для истребителей - крупное научно-техническое достижение отечественного авиадвигателестроения. Исключительные качества данных образцов (низкий удельный вес, сниженное число ступеней лопаточных машин, широкий диапазон условий эксплуатации, устойчивость компрессоров при полете о большими углами атаки, короткая широкодиапазонная форсажная камера с регулируемым соплом, высокие динамические характеристики и отсутствие ограничений на перемещение рычага управления) позволяют считать их наиболее удачными среди современных двигателей маневренных сверхзвуковых машин, о чем свидетельствует общепризнанный успех МиГ-29, Су-27, МиГ-31. К многорежимным двигателям четвертого поколения относятся и ТРДДФ НК-25, НК-32 (ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова) для самолетов дальней и стратегической авиации - самые мощные в мире.
Отечественные сверхзвуковые многорежимные ТРДДФ четвертого поколения появились при научном обеспечении и непосредственном участии ЦИАМ.
В двигателях нового пятого поколения для маневренных сверхзвуковых самолетов тенденции развития многорежимного ТРДДФ малого веса дополнены новыми требованиями - обеспечение сверхзвукового крейсерского полета, снижение заметности, отклонение вектора тяги при высокой надежности и большом ресурсе. В связи с проблемой закупок на передний план выдвигается задача установления соответствия стоимости двигателя и затрат на его эксплуатацию покупательной способности заказчика.
В 80-х годах В ОАО "Люлька-Сатурн" были начаты работы над ТРДДФ пятого поколения АЛ-41Ф для нового многофункционального истребителя. Концепция и технический облик двигателя нового поколения разработаны на основе поисковых исследований, выполненных совместно ЦИАМ и конструкторскими бюро.
ВКЛАД ИНСТИТУТА
В 80-х годах отечественное двигателестроение вплотную занялось НТЗ, причем данный труд по своим масштабам не уступал зарубежным программам. Однако существенное сокращение бюджетного финансирования привело к отставанию в разработке двигателя пятого поколения и обусловило низкие темпы создания НТЗ для двигателей шестого поколения. Проводимые в ЦИАМ работы по созданию экспериментального НТЗ для двигателей следующего поколения являются приоритетными в тематике института, но из-за недостаточного выделения средств выполняются в ограниченном объеме и низкими темпами. Продолжение этой тенденции приведет к катастрофическому отставанию в развитии отечественных двигателей от мирового уровня.
Современная методология создания двигателей опирается на интеграцию систем трехмерного моделирования, компьютерного проектирования и автоматизированного изготовления, что создает основу для сокращения доли наиболее дорогой компоненты "доводки" - его отработки на опытных образцах. В ЦИАМ внедрены трехмерные методы расчета нестационарных вязких течений на основе решения уравнений Навье-Стокса и обратных задач оптимизации элементов, многодисциплинарные подходы к исследованию газодинамики и теплообмена в дисковых полостях, анализу измерения зазоров в двигателе и решению ряда других проблем. Получило развитие моделирование нестационарных процессов для анализа процессов потери газодинамической устойчивости и флаттера в компрессорах и т.д.
Одной из наиболее сложных является задача освоения высоких температур газа. Применение монокристаллических лопаток с проникающим охлаждением находится в ряду перспективных направлений создания турбин, работающих при температуре газа 2000-2200 градусов Кельвина. ЦИАМ обладает комплексом технологий, необходимых для успешного создания перспективной рабочей лопатки турбины высокого давления. Совместно с ВИАМ и ГНПП "Салют" проводятся исследования по оптимизации конструктивно-технологических решений.
В ЦИАМ разработана высокотемпературная (до 2100 градусов Кельвина) модульная камера сгорания для двигателей с повышенным ресурсом и низким уровнем эмиссии вредных веществ. Многократное увеличение ресурса обеспечивается применением двухстенной перфорированной или сегментной жаровой трубы, что способствует также снижению неравномерности поля температуры на выходе из камеры, турбины.
Один из факторов, обеспечивающих "доступность" двигателя, - уменьшение числа его деталей путем снижения числа ступеней лопаточных машин, что удешевляет цену производства и ремонта.
Развитие компрессоров авиационных двигателей идет в направлении увеличения аэродинамической нагрузки на ступени, благодаря чему уменьшается их число. В то же время обостряется проблема обеспечения вибрационной прочности лопаточных машин из-за таких факторов, как повышение напорности ступеней и применение конструкций с низким демпфированием (моноколеса - "блиски" с лопатками малого удлинения). Для решения проблемы вибрационной прочности разработаны оригинальные методы бесконтактной диагностики колебаний, позволяющие идентифицировать причину их возникновения (резонанс, флаттер, вращающийся срыв).
Разработка и внедрение новых материалов и конструктивно-технологических решений являются решающим фактором в создании двигателей нового поколения. ЦИАМ совместно с Всероссийским институтом авиационных материалов, некоторыми технологическими институтами и ОКБ разработал программу критических (ключевых) технологий, предусматривающую создание высокоэффективных элементов и узлов двигателей на основе использования высокопрочных титановых и никелевых сплавов (монокристаллических, порошковых, интерметаллидов и др.), композиционных материалов, прогрессивных методов литья, сварки, прессования, нанесения покрытий и т.д.
В перспективных системах автоматического управления (САУ) двигателей будут использоваться "интеллектуальные" датчики, исполнительные механизмы и устройства для дозирования топлива, содержащие встроенные процессоры, которые осуществляют первичную обработку и коррекцию данных. При этом упрощается интеграция САУ с системами самолета и системой контроля и диагностики, уменьшается масса соединительных линий и повышается надежность всей системы.
Разработка и внедрение экономически эффективных методов эксплуатации при обеспечении безопасности полетов является важнейшей задачей отечественного двигателестроения. Ее решение основывается на совершенствовании методов управления ресурсами двигателя. Значительные резервы увеличения ресурса связаны с эксплуатацией двигателей по техническому состоянию, где ключевую роль играет совершенствование систем технической диагностики, основными направлениями которого являются реализация в бортовых системах алгоритмов прогнозирования возникновения отказов и автоматизация принятия диагностических решений.
Создание семейств двигателей различной тяги (мощности) и назначения на основе базового изделия и его газогенератора является также одним из наиболее важных путей снижения стоимости жизненного цикла (СЖЦ) и повышения "доступности". Преимущества от унификации за счет создания семейств двигателей проявляются на всех этапах жизненного цикла.
Для реализации этого подхода необходимо наличие у базового двигателя "запаса на развитие", обоснованный выбор которого также осуществляется на основе накопленного НТЗ. Пути всемерного сокращения затрат лежат в основе разработок современной методологии создания двигателей, проводимых в ЦИАМ совместно с промышленностью.
Практика показывает, что современные самолеты состоят на службе не менее 25-30 лет. Расширение в течение этого периода функций, объема и сложности выполненных ими задач обусловливают возрастание взлетного веса машин. Для сохранения и увеличения тяговооруженности необходимо соответствующее увеличение тяги как основного условия обеспечения эксплуатационных характеристик и маневренности. Поэтому одним из актуальных направлений развития семейства является создание модификаций с большей тягой при габаритных ограничениях, налагаемых требованиями взаимозаменяемости с исходной (базовой) моделью двигателя. Это делает необходимым применение новых конструктивно-технологических решений, присущих двигателям нового поколения. Таким образом, и в случае модернизации необходим НТЗ, использование новейших достижений по линии которого придает новой модификации черты двигателя следующего поколения, но при этом ее создание обходится намного дешевле разработки совершенно нового двигателя той же тяги.
ПУТЬ К ШЕСТОМУ ПОКОЛЕНИЮ
Двигатели шестого поколения для боевой авиации, создание которых следует ожидать в 2010-2015 гг., по отношению к пятому поколению должны обладать рядом характеристик, придающих качественно новый уровень боевому самолету. К ним относятся уменьшение удельного веса двигателя в 1,4-2 раза, удельного расхода топлива - на 15-30%, повышение надежности на 60-80%, обеспечение ресурса двигателя, соответствующего 0,5-1 ресурса планера, снижение в 2-3 раза трудоемкости обслуживания и, в совокупности, - более низкое СЖЦ.
Высокий уровень весового и эксплуатационного совершенства двигателя шестого поколения должен быть обеспечен путем реализации в его конструкции предельно высокой температуры газа перед турбиной (2300-2400 градусов Кельвина), применения композиционных материалов для изготовления основных узлов двигателя, интегральной САУ на основе электропривода, "сухой" подвески роторов, принципиально новых технологий изготовления узлов.
Осуществление в США на госбюджетной основе национальной программы ключевых технологий авиадвигателестроения IНРТЕТ, а также развивающих и дополняющих ее иных программ с ориентировкой на глобализацию присутствия американской военной авиации около 2015 г. имеет конечной целью достижение монопольного положения авиатехники и моторостроения Соединенных Штатов в ближайшие десятилетия при вытеснении с рынка производителей авиатехники иных стран, в том числе России, и в первую очередь отечественного авиадвигателестроения - ключевой отрасли авиапромышленности.
Необходима четкая концепция развития отечественного авиадвигателестроения как непременной составной части общей концепции развития авиации нашей страны в виде единого взаимосвязанного комплекса, обеспечивающего разработку, производство и эксплуатацию авиатехники военного назначения и воздушного транспорта. Развитие авиадвигателестроения должно базироваться на принципах сбалансированного, обеспечивающего национальные приоритеты сочетания работ в направлениях модернизации существующих и создания новых двигателей, планомерного накопления НТЗ для двигателей следующего поколения. Необходимо государственное регулирование стоимости топливно-энергетических и материальных ресурсов. Должно быть законодательно закреплено осуществление государственной политики, направленной на поддержку отраслей, использующих высокие технологии. Паритетность и конкурентоспособность двигателей - как новых, так и модернизируемых - будут во многом определяться достижениями в области перспективных ключевых технологий - важнейшей составляющей научно-технического потенциала.
