Двигателестроение – самая высокотехнологичная подотрасль авиастроения. Роль науки в ней чрезвычайно высока. Изобретение газотурбинного двигателя (ГТД), позволившего людям быстро и комфортно перемещаться по планете, можно назвать одним из главных научно-технических прорывов ХХ века, наряду с выходом в космос, освоением атома и изобретением интернета.
В 2020 году 90-летие отмечает головная научная организация авиационного двигателестроения России – Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского»).
Текст: Александр Игоревич Ланшин, заместитель генерального директора по науке ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова», Оскар Соломонович Гуревич, заместитель генерального директора – директор Исследовательского центра «САУ двигателей» ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова»
ЦИАМ: начало
Институт был создан 3 декабря 1930 года на базе винтомоторного отдела ЦАГИ и отдела опытного моторостроения завода № 24 (ныне – ПК «Салют» АО «ОДК»). Задачи перед новым НИИ были поставлены стратегические: план первой пятилетки (1928–1932) предписывал обеспечить «достижение темпов роста гражданской авиации до уровня передовых капиталистических стран, организацию производства моторов отечественной конструкции и отказ от импорта иностранных моторов».
Через год после образования в ЦИАМ был создан бензиновый поршневой авиадвигатель М-34 (конструктор А. А. Микулин) оригинальной блочной конструкции, по ряду характеристик превосходивший западные моторы (в частности, БМВ-6), а в 1936 году – дизель АН-1 (А. Д. Чаромский). Два этих знаменитых мотора легли в основу семейств серийных двигателей, применявшихся на многих боевых самолетах, и дали начало серии различных модификаций. Так, М-34 стал предтечей двигателя для Ил-2, а технологии АН-1 были применены в моторе В-2 – «сердце» легендарного танка Т-34.
К 1935 году ЦИАМ окреп, вырос в мощный НИИ, оснащенный установками для исследований и испытаний. Сделался он и кузницей кадров: отныне основная часть конструкторских работ передавалась в новые двигателестроительные ОКБ, во главе которых встали циамовцы: В. Я. Климов, В. А Добрынин, А. М. Люлька, В. Н. Челомей и др. Главной задачей института стало обеспечение промышленности научно-технической и экспериментальной поддержкой и определение перспектив развития двигателестроения. От проектирования двигателей коллектив перешел к НИР по общим вопросам двигателестроения: рабочий процесс, прочность, система управления, топливоподача, нагнетатели, винты переменного шага и др.
В 1936 году в Институте был разработан первый отечественный пятилетний план развития опытного моторостроения.
Война моторов
С началом войны ЦИАМ переориентировался на оказание оперативной помощи ВВС. Авиация стала одним из ключевых факторов победы. От совершенства мотора в самолете зависит многое: скорость, высотность, вооруженность, как результат – боеспособность. Двигатель должен соединять в себе большую мощность, малую массу и высокую надежность. В суровых условиях военного времени ученые и конструкторы ЦИАМ искали пути достижения этого результата.
Для оперативной помощи фронту была налажена система сбора информации по работе двигателей в боевой обстановке. Это позволяло регулярно получать сведения о состоянии двигателя и его систем, принимать меры к предотвращению отказов, накапливать материал, необходимый для изысканий в области повышения надежности двигателей и устранения недостатков. Полученные данные обрабатывались ЦИАМ в связке с ОКБ, заводами и НИИ ВВС.
Первоочередной практической задачей стали нагнетатели для повышения высотности истребителей. Над Москвой летали фашистские самолеты-разведчики, советские истребители не могли их достать – высоты полета не хватало. Под руководством В. А. Доллежаля в ЦИАМ для мотора М-105 был разработан двухступенчатый приводной центробежный нагнетатель с турбомуфтой (Э-100). Мотор с таким нагнетателем сохранял номинальную мощность до высоты 10 км. Полетам юнкерсов над столицей был положен конец.
Среди многих других разработок ЦИАМ в годы войны можно отметить систему запуска двигателей при низких температурах без предварительного подогрева специальными печами, как это делалось до войны. Изобретение различных антифризов, добавляемых в воду, обеспечило возможность эксплуатации моторов водяного охлаждения в зимних условиях.
Силами специалистов института были устранены дефекты в работе масляной системы двигателей М-105П и АШ-82, обнаруженные во время боевых действий в Сталинградской битве.
Был выполнен ряд важных работ по устранению склонности моторов к детонации.
В новом подразделении ЦИАМ по автоматике двигателей – предшественнике современного Исследовательского центра систем автоматического управления (САУ) – разрабатывались системы объединенного управления винтом и газом двигателей. Созданные в ЦИАМ гидроусилители для двигателей АМ-38Ф и АМ-42 облегчили управление штурмовиками Ил-2 и Ил-10.
В рамках продолжения работ по повышению высотности специалисты ЦИАМ создали турбокомпрессор, позволивший поднять на двигателе АШ-82ФН высотность с 4,8 до 11 км, на АМ-39А – с 6 до 12 км. С помощью двухступенчатого высоконапорного нагнетателя была дополнительно увеличена высотность мотора М-105, что позволило в 1944 году на самолете Як-9 летать на высоте 13 км, а на МиГ-11 – на высоте до 14 км.
Комплексные бригады, направляемые на фронт, помогали техникам знакомиться с правилами эксплуатации двигателей. В ЦИАМ также велась подготовка летно-технического состава действующей армии для эксплуатации иностранных поршневых двигателей и их агрегатов, поставляющихся в СССР по ленд-лизу. Только в 1945 году ЦИАМ провел 9 сборов, на которых прошло обучение 1629 человек.
За достижения военного периода в 1945 году ЦИАМ получил высшую награду СССР – орден Ленина, большой коллектив работников Института был удостоен правительственных наград.
Война моторов
С началом войны ЦИАМ переориентировался на оказание оперативной помощи ВВС. Авиация стала одним из ключевых факторов победы. От совершенства мотора в самолете зависит многое: скорость, высотность, вооруженность, как результат – боеспособность. Двигатель должен соединять в себе большую мощность, малую массу и высокую надежность. В суровых условиях военного времени ученые и конструкторы ЦИАМ искали пути достижения этого результата.
Для оперативной помощи фронту была налажена система сбора информации по работе двигателей в боевой обстановке. Это позволяло регулярно получать сведения о состоянии двигателя и его систем, принимать меры к предотвращению отказов, накапливать материал, необходимый для изысканий в области повышения надежности двигателей и устранения недостатков. Полученные данные обрабатывались ЦИАМ в связке с ОКБ, заводами и НИИ ВВС.
Первоочередной практической задачей стали нагнетатели для повышения высотности истребителей. Над Москвой летали фашистские самолеты-разведчики, советские истребители не могли их достать – высоты полета не хватало. Под руководством В. А. Доллежаля в ЦИАМ для мотора М-105 был разработан двухступенчатый приводной центробежный нагнетатель с турбомуфтой (Э-100). Мотор с таким нагнетателем сохранял номинальную мощность до высоты 10 км. Полетам юнкерсов над столицей был положен конец.
Среди многих других разработок ЦИАМ в годы войны можно отметить систему запуска двигателей при низких температурах без предварительного подогрева специальными печами, как это делалось до войны. Изобретение различных антифризов, добавляемых в воду, обеспечило возможность эксплуатации моторов водяного охлаждения в зимних условиях.
Силами специалистов института были устранены дефекты в работе масляной системы двигателей М-105П и АШ-82, обнаруженные во время боевых действий в Сталинградской битве.
Был выполнен ряд важных работ по устранению склонности моторов к детонации.
В новом подразделении ЦИАМ по автоматике двигателей – предшественнике современного Исследовательского центра систем автоматического управления (САУ) – разрабатывались системы объединенного управления винтом и газом двигателей. Созданные в ЦИАМ гидроусилители для двигателей АМ-38Ф и АМ-42 облегчили управление штурмовиками Ил-2 и Ил-10.
В рамках продолжения работ по повышению высотности специалисты ЦИАМ создали турбокомпрессор, позволивший поднять на двигателе АШ-82ФН высотность с 4,8 до 11 км, на АМ-39А – с 6 до 12 км. С помощью двухступенчатого высоконапорного нагнетателя была дополнительно увеличена высотность мотора М-105, что позволило в 1944 году на самолете Як-9 летать на высоте 13 км, а на МиГ-11 – на высоте до 14 км.
Комплексные бригады, направляемые на фронт, помогали техникам знакомиться с правилами эксплуатации двигателей. В ЦИАМ также велась подготовка летно-технического состава действующей армии для эксплуатации иностранных поршневых двигателей и их агрегатов, поставляющихся в СССР по ленд-лизу. Только в 1945 году ЦИАМ провел 9 сборов, на которых прошло обучение 1629 человек.
За достижения военного периода в 1945 году ЦИАМ получил высшую награду СССР – орден Ленина, большой коллектив работников Института был удостоен правительственных наград.
Выше, дальше, быстрее
ЦИАМ принял самое активное участие в разработке первых отечественных двухконтурных двигателей, относящихся уже к третьему поколению: Д-30 для массового ближнемагистрального авиалайнера Ту-134, НК-8 для Ту-154 и модификаций этих двигателей.
С развитием технологий возникали новые задачи. Реактивные самолеты должны были летать дальше, потребляя меньше топлива. Это заставило искать новые конструктивные схемы. Методика расчета двухвальных турбореактивных двигателей, разработанная в ЦИАМ при участии О. Н. Фаворского (сегодня – академик РАН, советник генерального директора по науке), была применена в ОКБ А. А. Микулина при разработке двигателя Р11Ф-300. Этот двигатель – рекордсмен своего времени по минимальному количеству деталей – поднял в небо самый массовый в мире сверхзвуковой истребитель МиГ-21, установивший 17 мировых рекордов.
Вскоре на первый план вышла задача повышения экономичности двухконтурных двигателей. Главным фактором, определяющим прогресс двигателестроения, стал темп роста температуры газа. Найти решения по охлаждению горячей части двигателя вновь помог ЦИАМ. В 1975 году в небо взлетел истребитель-перехватчик МиГ-31, по совокупности характеристик не имевший аналогов в мире. Уникальной конструкцией отличался и его двигатель – Д-30Ф6, первый представитель 4-го поколения. Его экономичность достигалась за счет двухконтурности, а максимальная тяга при росте скорости полета – за счет повышения температуры газа перед турбиной и роста расхода воздуха через двигатель в схеме с форсажной камерой со смешением потоков контуров. Именно для Д-30Ф6 специалисты ЦИАМ создали рабочие лопатки турбины, способные работать при температуре газа до 1700 К.
Параллельно в институте шла разработка методологии создания двигателей с повышенной степенью двухконтурности. Результаты были использованы в работах по первому отечественному трехвальному двигателю Д-36 для самолетов Як-42, Ан-72, Ан-74.
Вершиной достижений в создании двигателей 4-го поколения стали двигатели РД-33 и АЛ-31Ф для истребителей МиГ-29 и Су-27. Специалисты ЦИАМ предложили ряд решений, позволивших на порядок улучшить параметры моторов. В институте был выполнен большой объем доводочных испытаний этих двигателей и их модификаций. В результате появились моторы с уникальными для того времени качествами: малым числом ступеней, низким удельным весом, устойчивостью при полете на больших углах атаки, простотой управления. На основе Ал-31Ф создан АЛ-41Ф1С – двигатель первого этапа для российского истребителя 5-го поколения.
Определенной вехой стал и двухконтурный турбореактивный двигатель ПС-90А, разработанный ОАО «Авиадвигатель» (сегодня – АО «ОДК-Авиадвигатель») для пассажирских самолетов Ту-204, Ту-214, Ил-96-300. Облик ПС-90А, его узлов и САУ определялся на основе рекомендаций ЦИАМ. Он стал первым отечественным двигателем с электронной цифровой САУ типа FADEC.
К концу 1990-х стало очевидно, что самолету Ту-154, который уже не выдерживал рыночной конкуренции с А320 и B737, требуется замена. Назрела необходимость в создании российского ближне-среднемагистрального самолета с отечественными двигателями.
Пятое поколение
С начала 2000-х ЦИАМ начинает совместную работу с АО «Авиадвигатель» (сейчас – АО «ОДК-Авиадвигатель») и АО «СНТК им. Н. Д. Кузнецова» (сейчас – ПАО «Кузнецов») по формированию научно-технического задела применительно к семейству перспективных турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) тягой 9–18 т.
Совместно с ОКБ в 2002 году ЦИАМ разработал два технических облика конкурентоспособных ТРДД: с прямым и с редукторным приводами вентилятора. Специалисты ЦИАМ спроектировали модельные узлы и элементы двигателей нового поколения и начали их экспериментальные исследования. В 2008 году программа вышла на новый уровень. Под руководством Объединенной двигателестроительной корпорации (АО «ОДК»), в которую вошли ОКБ и крупные промышленные предприятия, началась совместная работа с ведущими НИИ. Активное участие в ней продолжил принимать и ЦИАМ. 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. В институте рассчитали компрессор высокого давления, в котором степень повышения давления, аналогичная показателю ПС-90А, была достигнута на 8 ступенях вместо 13. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования для подтверждения требуемой безопасности, прочности и конструкционной надежности двигателя, а также обеспечения выполнения международных экологических норм. Сформирована концепция построения высоконадежной цифровой САУ типа FADEC с элементами распределенности без резервного гидромеханического регулятора.
При создании ПД-14 использовались разработанные в ЦИАМ нормативные документы – «Нормы летной годности маршевых двигателей», «Нормы прочности ГТД и безотказности двигателей», «Руководство для конструкторов по испытаниям авиационных двигателей на высотных и климатических стендах», в том числе в обеспечение сертификации двигателей в соответствии с требованиями Авиационных правил и вновь разработанными методиками.
Значительная часть испытаний была выполнена на стендах НИЦ ЦИАМ в Лыткарино. Впервые в отечественной практике проведен полный цикл исследований и испытаний ПД-14 на пожарную безопасность.
Ускорению процесса сертификации способствовало создание и аккредитация в 2017 году Сертификационного центра ЦИАМ.
Осенью 2018 года АО «ОДК-Авиадвигатель» получил сертификат типа на двигатель ПД-14. За вклад в его разработку сотрудники ЦИАМ были отмечены наградами Минпромторга России.
Новому двигателю предстоит валидация сертификата типа по европейским нормам в EASA, в подготовке к которой институт задействован как разработчик расчетных и экспериментальных методик. ЦИАМ также обеспечивает комплекс испытаний для подтверждения безопасной работы двигателя, в т. ч. при его попадании в условия ледяных кристаллов и в облако вулканического пепла.
Совместная работа с промышленностью по созданию нового двигателя в современных условиях подтвердила функции ЦИАМ как головного НИИ авиадвигателестроения и государственного научного центра: формирование опережающего научно-технического задела, без которого невозможно создание конкурентоспособной техники нового поколения; научно-техническое сопровождение ОКР по конкретным двигателям; обеспечение их сертификации.
Работая в тесном контакте с ПАО «ОАК», в 2012 году ЦИАМ выступил на Экспертном совете Минпромторга России с предложением о начале исследований в обеспечение создания ТРДД большой тяги, впоследствии получившего обозначение ПД-35. НИР была выполнена в 2014–2015 годах и завершилась разработкой технического предложения по демонстрационному ТРДД большой тяги, ставшего основой при разработке программы критических технологий для создания двигателя ПД-35.
К новым горизонтам
В 2014 году ЦИАМ вошел в состав НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского», координирующего научные исследования в области авиации. Сегодня институт в тесной кооперации с промышленностью занимается формированием обликов и концепций силовых установок с двигателями 6-го поколения, ведет исследования и разработки в области перспективных МГТД, поршневых и роторно-поршневых двигателей, сверхзвуковых двигателей для перспективных пассажирских самолетов и др. Разрабатываются технологии для авиации будущего, направленные на создание гибридных и электрических силовых установок, обеспечивающих кардинальное улучшение характеристик летательных аппаратов.
Каждое из направлений работы ЦИАМ требует осмысления уже накопленного опыта, тщательных фундаментальных и прикладных исследований, поиска технических и инженерных решений, которые позволят получить выигрыши по массе, габаритам, топливной эффективности, ресурсу и другим основным показателям двигателя. В борьбе за каждый килограмм и процент улучшения параметров важными становятся вопросы использования новых материалов: композитов, интерметаллидов; применения аддитивных технологий; определения эффективных методов и аппаратурных решений в области автоматического управления двигателями; изучения новых видов топлив для перспективных двигателей.
Разработанные решения, после экспериментального подтверждения натурными испытаниями, должны обеспечить создание семейств авиадвигателей на основе унифицированных газогенераторов и модернизацию существующих авиационных ГТД и поршневых двигателей.
За 90 лет ЦИАМ, как и отечественная авиация и авиационная наука, прошел большой путь и серьезные испытания на прочность. Главным итогом можно назвать то, что промышленные предприятия и отраслевые институты смогли сохранить свой опыт, наработанные компетенции и кооперацию в создании таких наукоемких и высокотехнологичных изделий, как авиационные двигатели. При этом стало очевидно, что государственная поддержка высокотехнологичных проектов – важное условие для их реализации.
Сегодня в рамках госпрограммы РФ «Развитие авиационной промышленности» созданию научно-технического задела для перспективных авиадвигателей отведена особая роль. Отечественные двигатели необходимы для всех типов летательных аппаратов: БПЛА, самолетов и вертолетов малой авиации, региональных и магистральных самолетов, сверхзвуковых деловых и пассажирских самолетов, в перспективе – трансконтинентальных гиперзвуковых ЛА. Решение этой задачи возможно только совместными усилиями. Всё, что для этого требуется, – научные школы, интеллектуальный потенциал, конструкторские коллективы, экспериментальная база – в России есть.