На каких двигателях полетят новые российские самолеты
Но начался разговор с одной из самых горячих тем последних дней: столкновение самолета А321 с птицами и экстренная посадка с неработающими двигателями на кукурузное поле.
Михаил Валерьевич, как вы прокомментируете случившееся?
Михаил Гордин: Безусловно, мы следим за ситуацией, насколько это возможно. Хотя, конечно, комментарии до объявления официальных результатов считаю преждевременными. В комиссию по расследованию таких летных происшествий специалисты ЦИАМ обычно не входят. Когда будут результаты, мы обязательно с ними будем ознакомлены для использования в дальнейшей работе.
Испытания любого авиационного двигателя на птицестойкость - сертификационное требование. По современным правилам, все двухдвигательные самолеты могут спокойно продолжать полет с одним двигателем. Но что при этом опасно? Что при разрушении двигатель повредит летательный аппарат. К катастрофе могут привести вылет за пределы двигателя не локализованных в его корпусе фрагментов или возгорание. Опасен также обрыв двигателя из-за разрушения его крепления к самолету, недопустимое загрязнение идущего в кабину воздуха. Поэтому при попадании в двигатель крупной одиночной птицы он должен быть безопасно выключен.
Особая опасность - стайные птицы. Они могут попасть одновременно в несколько двигателей, которые при этом должны сохранить необходимую тягу. Поэтому нормы летной годности предусматривают испытания двигателя при попадании в него как одиночной крупной птицы, так и стайных птиц разных размеров.
У неспециалистов возник еще вопрос: почему двигатель нельзя защитить от птиц чем-то вроде сетки?
Михаил Гордин: Конструкция двигателя должна обеспечить его птицестойкость в соответствии с требованиями, а как это обеспечивается - другой вопрос. Сетку поставить, конечно, можно. Но тогда снизится мощность двигателя, ведь он пропускает через себя огромный объем воздуха. Любой фильтр - это преграда, а, значит, потери. Кроме того, разрушение сетки также может привести к повреждению деталей проточного тракта двигателя.
Испытание на прочность
Если продолжить разговор об испытаниях: вы испытываете на конструкционную прочность материалы, из которых делается двигатель ПД-14 для нашего новейшего МС-21. Какие экстремальные условия задаете?
Михаил Гордин: По максимуму. К примеру, рабочая температура никелевых суперсплавов может быть +1100°C и выше. Материал растягивают, сжимают и много чего с ним делают, пока образец не сломается. Проводятся кратковременные и длительные испытания, изучают образование и развитие трещин. Ломается все. Вопрос: как быстро и при каких нагрузках?
Ответ важен еще и потому, что новые материалы, прошедшие квалификационные испытания при сертификации ПД-14, будут применяться и в других изделиях. За создание самих новых материалов отвечает Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ). Мы же занимаемся испытаниями образцов и конструктивно-подобных элементов для того, чтобы подтвердить характеристики материалов уже в готовых изделиях, а также "вооружить" конструкторов нормами прочности, которые они смогут использовать в будущих конструкциях.
Какие вообще новые материалы используются для перспективных российских двигателей?
Михаил Гордин: Для вала двигателя - высокопрочная сталь, которая может выдерживать высокие нагрузки. Для горячей части - лопаток, дисков - новые никелевые жаропрочные сплавы, теплозащитные покрытия. Для относительно холодных деталей компрессора, корпуса и т.д. - различные титановые сплавы. Применение новых материалов стало одним из условий создания перспективных двигателей. Все конструирование в авиации - это борьба с весом. Наша задача в том, чтобы самолет нес максимально полезную нагрузку. Поэтому мы максимально должны облегчить двигатель.
А насколько вес двигателя помогают снизить композиты?
Михаил Гордин: Это зависит от размерности двигателя. Для больших - до полутонны. Возьмем, к примеру, углепластиковую лопатку вентилятора. Она на 40% легче применяемой в настоящее время пустотелой титановой, по прочности - такая же. На углепластиковой лопатке используется передняя кромка из титана, которая помогает выдерживать ударные нагрузки. Углепластик и металл вместе - достаточно сложная конструкция, для создания которой необходим большой объем знаний. Но цель та же - снижение веса.
Все подобные научно-технические новации уже используется при создании двигателя?
Михаил Гордин: Конечно. Сейчас реализуется программа создания двигателя ПД-35. В ней определены 18 критических технологий, и одна из них - полимеркомпозитная лопатка вентилятора. Мы вместе с АО "ОДК-Авиадвигатель", головной организацией по разработке ПД-35, и ПАО "ОДК-Сатурн" активно работаем над этой технологией. У нас изготавливаются пока лопатки в размерности ПД-14. Потом мы будем проводить с ними различные испытания, чтобы выбрать конструктивно-технологическое решение для ПД-35.
ПД-14 делают конкретно под самолет МС-21?
Михаил Гордин: Этот двигатель делается под ближнесреднемагистральные самолеты - класс тяги примерно 14-15 тонн. МС-21 сейчас проходит летные испытания с американским двигателем. Но со следующего года на него начнут устанавливать отечественные ПД-14. Это первый с 1992 года (после ПС-90А) полностью российский турбовентиляторный двигатель для гражданской авиации.
Скажите, а сверхтяжелый двигатель ПД-35 для каких самолетов создается?
Михаил Гордин: Работы по программе перспективного двигателя большой тяги ПД-35 - это прежде всего наработка компетенций в новом для России сегменте гражданских реактивных двигателей большой тяги - от 24 до 50 тонн. До сертификации еще далеко, пока все на этапе научно-исследовательских работ. Мы в этой программе соисполнитель, головной исполнитель - АО "ОДК-Авиадвигатель". Разрабатывается демонстратор газогенератора и полимеркомпозитная вентиляторная лопатка. Потом будет двигатель-демонстратор размерностью примерно 35 тонн тяги. На основании этой работы уже можно будет заложить опытно-конструкторскую разработку для двигателя до 50 тонн. 35 тонн - это двигатель примерно для самолета типа Боинг-777.
Для широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета он подойдет?
Михаил Гордин: Двигатель большой тяги позволит уйти от четырехмоторной схемы на самолетах Ил-476, Ил-478, Ил-96-400, а также может стать базовым двигателем для перспективного авиационного комплекса военно-транспортной авиации.
В небо - с умом
Эксперты убеждены: электрический самолет будет революционным скачком в самолетостроении. А если говорить о моторах - какой?
Михаил Гордин: Да, электрификация самолетов - это наиболее значительное новшество в авиации после внедрения реактивного двигателя. Мы отказываемся от гидравлики и пневматики и разрабатываем ключевые технологии, которые будут положены в основу создания отечественного самолета с гибридно-электрической силовой установкой.
Например, в электрическом двигателе, входящем в состав гибридно-электрической силовой установки, может применяться эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Его основа - проводники, охлаждаемые жидким азотом, который при очень низкой температуре (-196°C) обладает эффектом практически нулевого сопротивления. В результате достигается высокий коэффициент полезного действия и существенно уменьшаются массогабаритные характеристики двигателя.
В теории схема гибридно-электрической силовой установки дает прирост в топливной и экологической эффективности, но это нужно подтвердить на практике.
Насколько я знаю, в мире почти никто не имеет реальных работ в этом направлении?
Михаил Гордин: Завершенных - нет. Но работы по освоению электрических технологий для авиации ведутся в разных странах. Для самолето- и двигателестроения это совершенно новая история, абсолютно передовая. И здесь Россия в тренде. На первом этапе у нас - создание уникальной гибридно-электрической силовой установки мощностью 500 кВт (679 л.с.) с использованием сверхпроводников. На следующих этапах появится сверхпроводящий генератор. По планам, в 2019-2021 годах мы испытаем электродвигатель, в 2022-м - генератор.
Что потом? Думаю, первый полностью электрический самолет с гибридно-электрической силовой установкой на 180 пассажиров полетит не ранее 2050 года. В среднесрочной перспективе возможно создание серийной электрической силовой установки для самолетов на 2-4 пассажира и гибридной - на 9-19 пассажиров. Сейчас мы спроектировали, изготовили и проводим испытания электродвигателя. При мощности 60 кВт (80 л.с.) он весит немногим более 20 кг.
У вас много перспективных разработок. А что за "умный" двигатель? Действительно ли можно научить мотор выполнять команды по заданной математической модели?
Михаил Гордин: По крайней мере мы пытаемся. В любой технике, в том числе и в двигателе, со временем что-то изнашивается. Это неизбежный процесс. Но имея определенную математическую модель и способы измерения, можно подстраивать алгоритмы управления двигателем под его текущее состояние. Это интеллектуальная система управления.
Проект по интеллектуализации двигателя очень важный и интересный. Он хорошо ложится в концепцию "более" электрического и полностью электрического летательного аппарата. Пока все на стадии демонстратора. Это именно исследовательская работа, создание научно-технического задела, новых знаний и технологий, которые конструкторы смогут использовать при проектировании перспективных двигателей различных концепций. В планах на ближайшие два года - разработать демонстратор и провести его испытания на стендах.
Запрограммировать и сделать "умным" можно любой двигатель?
Михаил Гордин: Не любой. Но, допустим, на мощном двигателе ПД-35 будет такая система. Уже сейчас наши наработки используются в АО "ОДК-Климов" для вертолетов и в АО "ОДК-Авиадвигатель". Они уже есть на двигателе ПД-14. Кстати, ПД-14 в своем классе конкуренции ничуть не "глупее", чем, к примеру, американский PW 1400 или европейский LEAP. И даже умнее.
Полетим на гиперзвуке
ЦИАМ участвует в международном проекте HEXAFLY-INT по созданию самолета на водородном топливе. Конструкторы обещают скорость 7-8 тысяч км/ч. Для такой супермашины нужен и супермотор?
Михаил Гордин: В проекте участвуют несколько стран. Головной исполнитель от России - ЦАГИ, мы соисполнители. Проект научно-исследовательский. Его суть - понять, возможно ли придумать конструкцию, которая будет летать и возить пассажиров со скоростью 7-8 Махов. Как любят говорить: из Лондона до Сиднея за три часа. Исследуются различные концепции, в том числе воздушно-реактивный прямоточный двигатель, который может быть использован для поддержания гиперзвуковой скорости. Это ниша ЦИАМ. Мы испытываем прототип такого двигателя.
Прототип кто делал?
Михаил Гордин: Он разработан европейцами, а изготовлен у нас на опытном производстве. И уже испытан. Результаты будут переданы в международную группу.
И как вы оцениваете первые результаты?
Михаил Гордин: Хорошо оцениваем.
Исчерпаны ли возможности традиционных газотурбинных моторов?
Михаил Гордин: Нет. В технологическом плане они совершенны, тем не менее исследования и разработки, научные и конструкторские, продолжаются. Уверен, появятся новые модели, еще более экономичные: за счет повышения КПД, облегчения веса, интеллектуализации. Вроде простая вещь - на 10% снизить расход топлива. На самом деле это огромный объем работы. С каждым годом все сложнее и сложнее находить дополнительные резервы для повышения весовой эффективности и КПД. Борьба идет за каждый процент.
Если говорить об аддитивных технологиях: на каких этапах их применение наиболее целесообразно?
Михаил Гордин: Прежде всего - на этапе проектирования и доводки. Когда создаешь новый двигатель, некоторые детали в единичном экземпляре намного быстрее сделать с помощью 3D-печати. В серийном производстве и при ремонте - не факт. Необходимо оценивать экономическую эффективность их использования. Аддитивные технологии всегда будут в серии по себестоимости дороже, чем традиционные. Я, например, не верю в двигатель, целиком распечатанный на 3D-принтере.
Кроме этого возникает вопрос надежности. Про обычный металл мы знаем все: статистика огромная, понимаем, как он ведет себя в разных ситуациях. По использованию аддитивных технологий объем знаний пока намного меньше. Здесь важны и характеристики порошка или проволоки, и технология получения детали. Нужно несравнимо больше времени на различные испытания, чтобы быть уверенным: детали будут иметь необходимую надежность.
Могут ли цифровые технологии совсем вытеснить физические эксперименты?
Михаил Гордин: Принципиально невозможно. Критерием истины все равно останется физический эксперимент. Другой вопрос, что цифровые технологии, методы математического моделирования, скорее всего, приведут к сокращению объема испытаний. И ускорению проектирования. Это уже происходит.
То ли Глушко, то ли Туполев сказал: с хорошим двигателем и ворота полетят. Согласны?
Михаил Гордин: А еще говорят: в самолете все сопротивляется, только двигатель тянет. К таким выражениям отношусь с юмором. Но двигатель действительно самое наукоемкое механическое устройство по плотности инноваций и высоких технологий на кубический сантиметр. Для сравнения: самолет, особенно истребитель, и его элементы - планер, фюзеляж - проектируются под перегрузки 9-10 g. А турбинная лопатка двигателя испытывает нагрузку в многие тысячи g! То есть она должна быть очень легкой и в то же время выдерживать сумасшедшую нагрузку. Поэтому - суперматериалы. Поэтому - масса расчетов. Поэтому - сложная математика. В двигатель нельзя заложить чрезмерный коэффициент запаса, потому что он будет очень тяжелый, и ничего никуда не полетит.
Да, с хорошим двигателем даже ворота полетят. Но главное - его надо разработать до того, как приделать к воротам.
Ваши специалисты занимаются адаптацией мотора автомобиля "Аурус" для нужд малой авиации. Зачем?
Михаил Гордин: Мы взяли базовый автомобильный двигатель - лучший и самый мощный, что есть в России. В чем основная задача? Мы на примере этой работы покажем возможность создания на базе автомобильного двигателя авиационного варианта, продемонстрируем преимущества создания такого адаптированного двигателя по срокам и стоимости. Базовый автомобильный двигатель - более 600 лошадиных сил, мы его дефорсировали до 500. Это та мощность, на которой этот двигатель должен надежно работать на авиационных режимах.
Так не проще ли сразу делать "крылатый" мотор?
Михаил Гордин: Не проще и намного дороже. Надо признать: самолетов никогда не будет столько, сколько автомобилей. Поэтому у авиадвигателя всегда будет меньшая серия. И он всегда будет дороже. А тут есть возможность на предприятиях, которые освоили производство двигателей для машин, наладить их производство для авиационного применения. Что значит серия? Резко снижаются себестоимость, сроки изготовления. Причем все может быть произведено в России по уже освоенным технологиям.
Конечно, у авиадвигателей свои особенности, требования и ограничения. Нужно решить ряд научно-технических проблем. Что мы и делаем.
А в мире двигатели для машин летают?
Михаил Гордин: Летают. Есть австрийский авиационный двигатель АЕ-300, который был создан на базе дизеля от автомобиля "Мерседес". Есть другие примеры. Мы здесь не первые в мире, но в России точно первые.
Хочу подчеркнуть: проект не ограничивается одним двигателем. На примере уже готового мы отрабатываем саму возможность адаптации. Научная работа будет закончена испытаниями на летающей лаборатории. Только летный эксперимент подтвердит, что технология стала авиационной. При продолжении финансирования полный цикл - адаптация и летные испытания - займет примерно три года.
Летающая лаборатория - какая?
Михаил Гордин: Она может быть на базе серийного двухдвигательного самолета, где один из двигателей заменяется на опытный. Может, это будет третий двигатель, который ставится дополнительно. Есть летающая лаборатория Ил-76, возможно, появится такая на базе Як-40. Существует еще несколько проектов летающих лабораторий на базе серийных самолетов, одну из силовых установок которых можно заменить экспериментальной. Двигатель будет проверяться и на земле, и в воздухе на всех рабочих режимах полета.
Эксперты утверждают: создание двигателя занимает намного больше времени, чем самолета. Это так?
Михаил Гордин: Цикл создания газотурбинного двигателя до серийного образца - 10-15 лет, самолета - 7-10. Для поршневого, конечно, меньше, но тут основная сложность - агрегатчики. Дело в том, что в какое-то время поршневая авиационная тематика просто выпала из поля зрения разработчиков летательных аппаратов. И, соответственно, пропали те, кто изготавливает компоненты, узлы и агрегаты. Так что сегодня работой над адаптацией автомобильного двигателя мы возобновляем и кооперацию. Доверие к техническим решениям восстанавливается непросто.
Импортные составляющие есть?
Михаил Гордин: Пока есть. Но в целом все локализуемо в России.
И для каких самолетов годится такой мотор?
Михаил Гордин: Для самолетов сельхозавиации с полезной нагрузкой до 1 тонны, самолетов местных линий - на 7-9 мест, большой беспилотной авиации. Он может стоять на учебно-тренировочном самолете типа Як-152. Задач для него много.
Но у нас сегодня, к сожалению, ситуация, когда двигатель в основном делается "под самолет". Это вызывает определенные технические сложности. И по весу, и по габаритам. Должно быть наоборот: создается двигатель, и на его основе проектируется летательный аппарат.
Кто может стать конкурентом для такого мотора?
Михаил Гордин: С технической точки зрения в таком классе мощности - и газотурбинные двигатели, и дизельные. 500-600 лошадиных сил - это как раз тот стык, где поршневая тематика начинает конкурировать с газотурбинной. Кроме того, наш двигатель будет работать на бензине, в том числе автомобильном. Логистика по его эксплуатации и мероприятия по обеспечению качества должны быть встроены в систему малой авиации. Это отдельная тема.
Если говорить о коммерческой конкуренции, то здесь в конкурентах только "иностранцы". Эта работа потому и заказана нам государством, что на отечественном рынке авиадвигателей такого класса нет.