Отечественное авиационное двигателестроение в последнее время – одна из самых обсуждаемых в отрасли тем. Серийное производство новейшего двигателя ПД-14, испытания газогенератора двигателя-демонстратора ПД-35 сначала в Центральном институте авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») на высотном стенде, а затем двигателя-демонстратора на открытом стенде в Перми, где двигатель несколько раз вышел на взлетный режим, активные разработки вертолетных двигателей и линейки моторов для БПЛА… Чем больше событий происходит в отрасли, тем больше хочется узнать о том, как будут развиваться технологии дальше. Лучше всего об этом знают в ЦИАМ – головной научной организации, где формируются направления развития авиационного двигателестроения и облик будущих двигателей, разрабатываются конкурентоспособные технические решения. Журнал «Крылья Родины» побеседовал с генеральным директором ЦИАМ, академиком Академии наук авиации и воздухоплавания Андреем Козловым.
– Андрей Львович, именно у ЦИАМ, как у эксперта, хочется узнать о трендах и перспективах развития авиадвигателестроения: какими будут двигатели будущего?
– С одной стороны, ответить на ваш вопрос можно просто: двигатели будущего станут менее шумными, более экологичными и безопасными по сравнению с предшественниками. Ведь тренды и перспективы напрямую зависят от требований, которые предъявляются к авиационной технике. И год от года они ужесточаются. Это заставляет разработчиков искать новые пути решения вопросов, связанных с усовершенствованием характеристик двигателей.
С другой стороны (и в этой истине я не буду первооткрывателем), авиационный двигатель – сложнейшее техническое устройство, в котором каждый процент улучшения характеристик достигается напряженным многолетним трудом его разработчиков и авиационной отрасли в целом. Недаром создание авиадвигателя – от задумки до его установки на летательный аппарат – занимает десятки лет. На первый взгляд, кажется, что прогресс в авиадвигателестроении идет медленно, но это не совсем так: дело в том, что достижения в таком большом и сложном деле, как создание авиационного двигателя, не так заметны, как в других областях – например, в IT-сфере.
Для дозвуковых магистральных самолетов приоритетными пока остаются традиционные двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), но с более высокими, по сравнению с пятым поколением, параметрами рабочего процесса. Для самолетов малой авиации, авиации общего назначения, вертолетов и беспилотников рассматриваются малоразмерные газотурбинные двигатели разных схем, поршневые и роторно-поршневые двигатели различной размерности.
Помимо схем ТРДД, в ЦИАМ исследуются альтернативные схемы двигателей будущего: турбовинтовентиляторный двигатель с «открытым ротором», двигатели сложных термодинамических циклов, распределенная силовая установка, гибридные и электрические силовые установки, а также двигатели изменяемого цикла для перспективных сверхзвуковых деловых и пассажирских самолетов. Задача Института состоит, в первую очередь, в создании и отработке научно-технического задела: ЦИАМ не только формирует предварительный облик двигателей и силовых установок, но и исследует их на экспериментальных образцах отдельных элементов, узлов и систем. Накопленный задел Институт передает отрасли для реализации этого опыта в конкретные конструкции.
– Андрей Львович, именно у ЦИАМ, как у эксперта, хочется узнать о трендах и перспективах развития авиадвигателестроения: какими будут двигатели будущего?
– С одной стороны, ответить на ваш вопрос можно просто: двигатели будущего станут менее шумными, более экологичными и безопасными по сравнению с предшественниками. Ведь тренды и перспективы напрямую зависят от требований, которые предъявляются к авиационной технике. И год от года они ужесточаются. Это заставляет разработчиков искать новые пути решения вопросов, связанных с усовершенствованием характеристик двигателей.
С другой стороны (и в этой истине я не буду первооткрывателем), авиационный двигатель – сложнейшее техническое устройство, в котором каждый процент улучшения характеристик достигается напряженным многолетним трудом его разработчиков и авиационной отрасли в целом. Недаром создание авиадвигателя – от задумки до его установки на летательный аппарат – занимает десятки лет. На первый взгляд, кажется, что прогресс в авиадвигателестроении идет медленно, но это не совсем так: дело в том, что достижения в таком большом и сложном деле, как создание авиационного двигателя, не так заметны, как в других областях – например, в IT-сфере.
Для дозвуковых магистральных самолетов приоритетными пока остаются традиционные двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), но с более высокими, по сравнению с пятым поколением, параметрами рабочего процесса. Для самолетов малой авиации, авиации общего назначения, вертолетов и беспилотников рассматриваются малоразмерные газотурбинные двигатели разных схем, поршневые и роторно-поршневые двигатели различной размерности.
Помимо схем ТРДД, в ЦИАМ исследуются альтернативные схемы двигателей будущего: турбовинтовентиляторный двигатель с «открытым ротором», двигатели сложных термодинамических циклов, распределенная силовая установка, гибридные и электрические силовые установки, а также двигатели изменяемого цикла для перспективных сверхзвуковых деловых и пассажирских самолетов. Задача Института состоит, в первую очередь, в создании и отработке научно-технического задела: ЦИАМ не только формирует предварительный облик двигателей и силовых установок, но и исследует их на экспериментальных образцах отдельных элементов, узлов и систем. Накопленный задел Институт передает отрасли для реализации этого опыта в конкретные конструкции.
– Оцените, как менялся отраслевой ландшафт и основные запросы на рынке. Что ЦИАМ может предложить потенциальным заказчикам в текущих условиях?
– «Состоятельность» двигателя определяется его схемой, основными параметрами и рядом характеристик. От поколения к поколению увеличивается экономичность, повышается целый ряд эксплуатационных показателей двигателей наряду с увеличением их экологичности. Если проследить переход от четвертого к пятому поколению в двигателестроении, то он, в основном, был достигнут за счет роста параметров и степени двухконтурности, а также внедрения новых материалов и технологий с ними связанных. Как пример, можно вспомнить про лопатки вентилятора, созданные из композиционного материала, применение керамических материалов в горячих узлах двигателя, внедрение интерметаллидов, новых защитных покрытий и др.
Конкурентоспособность каждого поколения двигателей определяется их соответствием основным достигнутым на данный момент стандартам мирового уровня. Традиционно в их числе масса двигателя, удельный расход топлива, ресурс, надежность и др. В последнее время на первый план все чаще выходят требования о соответствии экологическим нормам, которые становятся всё более жесткими. Это, в первую очередь, уровень шума от силовой установки и выброс вредных веществ в атмосферу. Поэтому значительная часть исследований ЦИАМ, в частности, по выходному устройству, вентилятору, камерам сгорания ГТД как раз направлена на выработку технических решений для соответствия требуемым критериям.
ЦИАМ создавался как отраслевой институт, оказывающий экспертную поддержкупромышленности на всех этапах жизненного цикла авиационного двигателя – от создания концепций и разработки новых схем, основанных на прогнозе развития технологий, до испытаний уже готового продукта, сопровождения запуска в серийное производство и научно-технического сопровождения изделий, находящихся в эксплуатации. На протяжении всей своей, без малого, 95-летней истории Институт являлся мозговым центром, который генерирует всё новое и передовое, что заложено в отечественных двигателях. Этой миссии ЦИАМ верен и сейчас. Институт – единственная в стране научная организация, осуществляющая полный цикл исследований, необходимых при создании авиационных двигателей и газотурбинных установок на их основе. При непосредственном участии ЦИАМ разрабатывались все, без исключения, отечественные авиационные двигатели.
– В моторах какого типа сейчас назрела острая необходимость?
– Не хочется здесь называть какую-то очередность, поскольку двигатели всех типов одинаково приоритетны, и для каждого из них необходимо создавать научный задел, производственную базу и инфраструктуру.
Сейчас ЦИАМ проводит комплексные научно-исследовательские работы в области маршевых двигателей пятого и шестого поколений для магистральных самолетов, малоразмерных газотурбинных двигателей, авиационных поршневых двигателей для вертолетов и гибридных силовых установок для самолетов малой авиации. По каждому направлению мы рассматриваем концепции нескольких типов силовых установок и «примеряем» их на различные типы летательных аппаратов. Кроме того, научные подходы проверяются экспериментом здесь же: в распоряжении Института находится крупнейшая в России испытательная база.
Широким фронтом в ЦИАМ развернуты комплексные работы по созданию двигателей-демонстраторов для небольших самолетов местных воздушных линий пассажировместимостью до 9 человек, легких учебно-тренировочных и сельскохозяйственных самолетов, а также для беспилотных летательных аппаратов.
Кроме того, ЦИАМ уже несколько лет успешно реализует проекты по созданию и разработке электрических и гибридных силовых установок. Это более экологичные двигатели, в будущем они могут устанавливаться на самолеты малой авиации, беспилотные летательные аппараты, а в далекой перспективе – на региональные и магистральные самолеты в паре с газотурбинным двигателем, а также на вертолеты в качестве привода винта. Недавно электродвигатели разработки ЦИАМ были установлены на беспилотную авиационную систему внеаэродромного базирования с вертикальным взлетом и посадкой С-76 разработки ОКБ «Сухого» (входит в Объединенную авиастроительную корпорацию Ростеха).
– «Состоятельность» двигателя определяется его схемой, основными параметрами и рядом характеристик. От поколения к поколению увеличивается экономичность, повышается целый ряд эксплуатационных показателей двигателей наряду с увеличением их экологичности. Если проследить переход от четвертого к пятому поколению в двигателестроении, то он, в основном, был достигнут за счет роста параметров и степени двухконтурности, а также внедрения новых материалов и технологий с ними связанных. Как пример, можно вспомнить про лопатки вентилятора, созданные из композиционного материала, применение керамических материалов в горячих узлах двигателя, внедрение интерметаллидов, новых защитных покрытий и др.
Конкурентоспособность каждого поколения двигателей определяется их соответствием основным достигнутым на данный момент стандартам мирового уровня. Традиционно в их числе масса двигателя, удельный расход топлива, ресурс, надежность и др. В последнее время на первый план все чаще выходят требования о соответствии экологическим нормам, которые становятся всё более жесткими. Это, в первую очередь, уровень шума от силовой установки и выброс вредных веществ в атмосферу. Поэтому значительная часть исследований ЦИАМ, в частности, по выходному устройству, вентилятору, камерам сгорания ГТД как раз направлена на выработку технических решений для соответствия требуемым критериям.
ЦИАМ создавался как отраслевой институт, оказывающий экспертную поддержкупромышленности на всех этапах жизненного цикла авиационного двигателя – от создания концепций и разработки новых схем, основанных на прогнозе развития технологий, до испытаний уже готового продукта, сопровождения запуска в серийное производство и научно-технического сопровождения изделий, находящихся в эксплуатации. На протяжении всей своей, без малого, 95-летней истории Институт являлся мозговым центром, который генерирует всё новое и передовое, что заложено в отечественных двигателях. Этой миссии ЦИАМ верен и сейчас. Институт – единственная в стране научная организация, осуществляющая полный цикл исследований, необходимых при создании авиационных двигателей и газотурбинных установок на их основе. При непосредственном участии ЦИАМ разрабатывались все, без исключения, отечественные авиационные двигатели.
– В моторах какого типа сейчас назрела острая необходимость?
– Не хочется здесь называть какую-то очередность, поскольку двигатели всех типов одинаково приоритетны, и для каждого из них необходимо создавать научный задел, производственную базу и инфраструктуру.
Сейчас ЦИАМ проводит комплексные научно-исследовательские работы в области маршевых двигателей пятого и шестого поколений для магистральных самолетов, малоразмерных газотурбинных двигателей, авиационных поршневых двигателей для вертолетов и гибридных силовых установок для самолетов малой авиации. По каждому направлению мы рассматриваем концепции нескольких типов силовых установок и «примеряем» их на различные типы летательных аппаратов. Кроме того, научные подходы проверяются экспериментом здесь же: в распоряжении Института находится крупнейшая в России испытательная база.
Широким фронтом в ЦИАМ развернуты комплексные работы по созданию двигателей-демонстраторов для небольших самолетов местных воздушных линий пассажировместимостью до 9 человек, легких учебно-тренировочных и сельскохозяйственных самолетов, а также для беспилотных летательных аппаратов.
Кроме того, ЦИАМ уже несколько лет успешно реализует проекты по созданию и разработке электрических и гибридных силовых установок. Это более экологичные двигатели, в будущем они могут устанавливаться на самолеты малой авиации, беспилотные летательные аппараты, а в далекой перспективе – на региональные и магистральные самолеты в паре с газотурбинным двигателем, а также на вертолеты в качестве привода винта. Недавно электродвигатели разработки ЦИАМ были установлены на беспилотную авиационную систему внеаэродромного базирования с вертикальным взлетом и посадкой С-76 разработки ОКБ «Сухого» (входит в Объединенную авиастроительную корпорацию Ростеха).
Электродвигатели разработки ЦИАМ, установленные на беспилотную авиационную систему внеаэродромного базирования с вертикальным взлетом и посадкой С-76 разработки ОКБ «Сухого»
– Какие материалы необходимы при создании двигателей? Над какими технологическими новинками в этой области работает ЦИАМ, который всегда отвечал за создание и отработку критических технологий для двигателей?
– Хочу еще раз подчеркнуть, что ЦИАМ не занимается созданием новых материалов, а формирует требования к ним. Мы действуем в связке с нашими коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ и создаем конструкции из новых материалов. Эти конструкции наряду с новыми технологиями проектирования и изготовления, или как их называют «критические технологии», важны и необходимы для новых двигателей, ведь именно они играют решающую роль в улучшении ряда характеристик.
Переход к шестому поколению авиационных двигателей зависит, в том числе, от повышения параметров цикла (степень повышения давления в компрессоре, температура газа перед турбиной) вследствие появления новых сплавов и композиционных материалов, зрелости «критических технологий», поскольку эффективность узлов существующих двигателей (КПД) близка к предельному уровню.
Топливная эффективность и удельный расход топлива зависят от КПД отдельных элементов силовой установки и от параметров рабочего процесса самого двигателя. В частности, в двигателях пятого и шестого поколений, работающих по термодинамическому циклу Брайтона, характерны суммарная степень повышения давления в компрессоре на уровне 60-70, температура газа перед турбиной 1900-2000 К. Поэтому достигнуть улучшения топливной эффективности двигателей шестого поколения хотя бы на 5-10% по сравнению с двигателями пятого поколения становится труднее из-за предельно высоких значений температур и давления в проточной части. Поэтому сегодня нам необходимо внедрять перспективные конструкции, сделанные из новых материалов. Повторюсь, что кроме показателей топливной эффективности, удельной массы и ресурса двигателей на первый план выходят экологические критерии: шум и эмиссия вредных веществ в атмосферу.
Отмечу, что ресурсные показатели и масса двигателя во многом зависят от применения при их проектировании перспективных материалов и технологий. По этому направлению в Институте также ведутся исследования: к новым материалам формируются требования для их применения в двигателестроении, дальше из этих материалов создаются конструктивно-подобные элементы и детали различных узлов двигателя, после чего все экспериментальные образцы проходят проверку испытаниями.
Одним из его «критических» узлов является вентилятор с рабочими лопатками из полимерных композиционных материалов, без которых двигатель пятого и шестого поколений не будет конкурентоспособен. Сегодня лопатка вентилятора из полимерных материалов – тренд, изучаемый специалистами во всем мире. В ЦИАМ по этой теме накоплен колоссальный опыт. Институт в числе первых приступил к изучению композиционных конструкционных материалов. В 1969 году у нас уже велись работы, связанные с созданием деталей и агрегатов из композиционных материалов, их исследованиями на прочностную надежность.
Второе важное направление – применение композиционных материалов в наружном контуре и мотогондоле ТРДД. Третье – высокотемпературные керамические материалы, применяемые в «горячей» части двигателя. В первую очередь, это камера сгорания и лопатки турбины, где детали работают в наиболее жестких условиях высоких температур, а также внедрение легких интерметаллидных материалов в турбине низкого давления.
– Приближается Международный форум двигателестроения, который пройдет в октябре на ВДНХ. Какие разработки представит ЦИАМ?
– Международный форум двигателестроения на ВДНХ – это, без преувеличения, одно из главных событий для отраслевых специалистов. Ни одно другое мероприятие не имеет такой же целевой направленности, как МФД: оно демонстрирует передовые разработки в современном авиадвигателестроении, определяет главных игроков на этом рынке и позволяет в живом диалоге между участниками найти ответы на многие насущные вопросы. Именно здесь можно узнать, какими будут двигатели будущего, над чем сейчас работает наука и промышленность в этом сегменте.
Традиционно для презентации на форуме ЦИАМ, как головная научная организация в области авиационного двигателестроения, готовит большую экспозицию. На стенде Института будут представлены малоразмерные ГТД и их отдельные узлы, электроприводной вентилятор (импеллер), использующий в качестве привода синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, а также топливный бак для жидкого водорода из композиционных материалов и многое другое. Помимо этого, специалисты ЦИАМ покажут гостям форума макет силовой установки сверхзвукового гражданского самолёта и наши разработки в области создания конструкций из новых материалов – научно-технический задел для двигателей будущего.
Экспозиция ЦИАМ продемонстрирует не только наши компетенции, но и готовность перед потенциальными заказчиками выполнять комплексные задачи в области авиадвигателестроения, способность работать над конкретными типами двигателей вне зависимости от их назначения и области применения.
Экспозиция ЦИАМ на МФД-2022
Разумеется, запланировано достаточно широкое участие ЦИАМ и в деловой программе МФД. Институт инициирует и организует симпозиумы научно-технического конгресса по двигателестроению (НТКД), который пройдет в рамках форума. Специалисты ЦИАМ выступят с докладами на пленарном заседании, станут руководителями девяти из двенадцати тематических симпозиумов, посвященных рассмотрению и обсуждению перспектив развития отечественных авиадвигателей, научно-техническому обеспечению их создания. ЦИАМ представит свои основные результаты выполненных исследований и достижения в области создания научно-технического задела. К участию в деловой программе на сегодняшний день от Института заявлено более 130 докладов.
Пользуясь случаем, приглашаю представителей авиадвигателестроительных предприятий, отраслевых институтов, профильных вузов принять активное участие в симпозиумах НТКД-2024, часть из которых пройдет на московской площадке ЦИАМ. Кстати, один из докладов ЦИАМ, анонсированный в деловой программе МФД, основан на работе, которая была удостоена премии «Авиастроитель года» за 2023 год в номинации «Лучший инновационный проект».