Андрей Львович, новый пассажирский сверхзвуковой самолет должен летать на крейсерской скорости 1,8-2.0 Маха и обладать дальностью до 8,5 тысячи км. Почему говорят, что двигатель для него несоизмеримо сложнее тех, что стоят на сверхзвуковых истребителях?
Андрей Козлов: С гражданским сверхзвуком их разнят режимы работы и продолжительность сверхзвукового полета. Отсюда и разные подходы в создании, проектировании, разработке, компоновке силовых установок. Так, истребителю достаточно выйти на форсаж на какое-то очень короткое время и выполнить боевую задачу. А гражданский взлетает и - встал на марш. Он должен развить скорость на крейсерском режиме до 2500 км/ч и работать 70-80 (!) процентов полетного времени фактически на пределе своих возможностей.
Есть и другой важный нюанс: шум в зоне аэропорта. В двигателях военной авиации наибольший процент акустического возмущения создается реактивной струей. Для минимизации влияния необходимо снизить скорость ее истечения. А это возможно только повышением степени двухконтурности. С другой стороны, для преодоления звукового барьера двигатель должен обладать высокой удельной тягой, а это, наоборот, низкая двухконтурность. Законы физики никто не отменял. Две абсолютно противоречивые задачи. Но именно их решение позволит сократить полет на 7-8 тысяч км до 4-5 часов по сравнению с дозвуковыми машинами, которые на это расстояние затрачивают более десяти часов.
У нас был сверхзвуковой пассажирский Ту-144. Какой там стоял двигатель?
Андрей Козлов: Сначала Ту-144 был оборудован двигателями НК-144, разработанными Куйбышевским научно-производственным объединением под руководством выдающегося авиадвигателиста Николая Дмитриевича Кузнецова. Двигатель заложили в двухконтурной схеме с форсажной камерой, как на истребителях. Она позволяла увеличить тягу, но топливная экономичность оказалась низкой. НК-144 не мог обеспечить сверхзвуковой полет на заявленную дальность. Плюс дала знать перетяжеленная конструкция самого самолета. Работа продолжилась. Туполев заказал двигатель другому КБ - в Рыбинске. Так появился одноконтурный с частичным форсажем РД-36-51А. Оба мотора были по-своему уникальны.
Но, к сожалению, эксплуатация Ту-144Д была всего около года. Сказался маленький спрос, поломки и аварии, отсутствие инфраструктуры для посадки. Всего построили 16 машин (на четыре меньше, чем "Конкордов"), а на рейсах задействовали лишь пару бортов. История нашего первого пассажирского сверхзвуковика показала и принципиальную возможность создания таких машин, и основные недостатки инженерных решений. На опыте учатся.
В России в последние годы появилась целая серия новых авиационных моторов. И, как отмечают, очень хороших: ПД-8, ПД-14, ПД-35… Сейчас говорят о ПД-26. Можно ли использовать этот технический задел для сверхзвукового спецдвигателя?
Андрей Козлов: Конечно, были просмотрены все варианты, которые мы можем применить. Газогенератор - это сердце любого двигателя. Рассматривались газогенераторы ПД-14 и ПД-8. Результаты исследований показали: создание силовой установки для сверхзвукового самолета на их базе нецелесообразно. Причина? Из-за необходимости существенной доработки: выполнение требований по экономичности, экологичности, надежности и ресурсу соизмеримо с разработкой нового двигателя.
Вообще, двигатель любого самолета проектируется под то, как этот самолет будет летать. Подбираются соответствующие сплавы, диски, профиль лопаток и т. д. Технически можно взять универсальный газогенератор и на его базе проектировать разные семейства двигателей. Но это не про сверхзвук. Здесь отдельная история, которая отличается кардинально.
Какие технические проблемы сегодня решают конструкторы сверхзвукового мотора: экология, ресурс, характеристики?
Андрей Козлов: Почему проблемы? Это задачи или вызовы, которые стоят перед разработчиками не только силовой установки, но и самолета в целом. Сложно поставить определенный приоритет: решать все придется в комплексе, находя компромиссные варианты. Так, ИКАО рассматривает ужесточение требований по нормам шума вблизи аэропортов. Нас, двигателистов, в этой связи волнует решение вопроса снижения шума реактивной струи силовой установки во время взлета. Если проще: здесь возникают технические моменты, связанные с оптимальным размещением двигателей, экранированием планера.
В ЦИАМ имени П.И. Баранова рассматривается компоновка, где двигатели располагаются не под, а над крылом в хвостовой части. При этом задняя часть фюзеляжа экранирует струю на небольшом расстоянии от среза сопла. Сложно пояснить простыми словами: специалисты понимают, о чем речь. Шум можно уменьшить за счет увеличения степени двухконтурности двигателя, но это влечет утяжеление всей конструкции. А за каждым процентом лишнего веса - сокращение дальности полета.
Конструирование в авиации, включая сверхзвуковую, это непрерывная борьба с весом?
Андрей Козлов: Да. Наша задача в том, чтобы самолет нес максимально полезную нагрузку. Поэтому мы максимально должны облегчить двигатель. Скажем, лопатки из композитов существенно легче, чем из титана. То есть это облегчает всю конструкцию.
Какие вообще новые материалы используются для перспективных российских двигателей?
Андрей Козлов: Мы сформировали перечень критических технологий, который необходим для создания двигателя. В него входят и новые материалы. Но институту необходимо провести квалификационные испытания не просто нового материала, а каждой конкретной детали, которая будет испытывать наиболее сильные нагрузки. Приведу пример. Горячая часть двигателя сверхзвуковой силовой установки (камера сгорания и турбина) работает в условиях запредельных температур несколько часов. Это сильно усложняет выполнение требований по надежности и ресурсу. Одно из решений - высокотемпературные композиты.
Сейчас идут исследования, определяются базовые свойства армированных керамических материалов для проектирования ответственных деталей силовой установки. Идут испытания на многоцикловую и малоцикловую усталости, в том числе из аддитивных технологий. Испытательные стенды - в режиме нон-стоп. Изучается образование и развитие трещин. Много чего делается, пока образец не сломается.
Расчетно-экспериментальные работы идут по нескольким важнейшим направлениям. Полученные результаты по итогам завершающейся в этом году программы исследований будут использованы при формировании облика экспериментального газогенератора и в целом двигателя-демонстратора.
Создание супердвигателя повлечет изменения существующих норм летной годности?
Андрей Козлов: Безусловно. Их придется пересматривать под новый образец авиатехники. Изменения коснутся прежде всего требований по экологии, шуму, надежности как двигателя, так и всего летательного аппарата. В ЦИАМ в рамках НИР уже разработаны рекомендации по изменению и дополнению. Но пока говорить о них преждевременно. Учесть все особенности эксплуатации двигателя нового поколения можно только с учетом тенденций развития практической сертификации.
Кстати, комитет по защите окружающей среды от воздействия гражданской авиации ИКАО (CAEP ИКАО) недавно представил проект новых норм по шуму на местности для сверхзвуковых гражданских самолетов. Они основаны на применении аналогичных ограничений для дозвуковых. С нашей точки зрения, озвученные требования намного опережают реальное развитие технологий в авиации. Именно поэтому иногда создается впечатление, и небезосновательное: закручивание гаек в области экологического совершенствования авиатехники - это замаскированный способ конкурентной борьбы за первенство на мировом рынке. Хотя ужесточения действуют и в обратную сторону: они становятся катализатором развития, трансформации к более совершенным схемам и параметрам.
Опять компромиссы?
Андрей Козлов: Авиация - эта та сфера, где поиск компромиссов постоянный, и каждый плюс порождает свой минус. Поэтому нужно искать пути улучшения, которые устроят всех.
Есть ли за рубежом разработки подобных силовых установок для гражданского применения?
Андрей Козлов: Есть даже компании, которые заявляют о готовности в самое ближайшее время начать серийно выпускать сверхзвуковой самолет. Например, американская стартап-фирма Boom Supersonic представила летный прототип XB-1 (в серии он будет носить название Overture). По сути, это демонстратор технологий, оборудованный тремя турбореактивными двигателями General Electric J85-15. Они должны помочь разогнать XB-1 до скорости 2,2 Маха. Это старые двигатели, разработанные еще в 1950 годы и использовавшиеся на истребителях F-15.
Для серийного Overture компания готовит собственную разработку - двигатели Symphony. По замыслу на коммерческой модели сверхзвукового лайнера на 80 пассажиров их будет сразу четыре. Новые двигатели смогут обеспечить полет на скорости 1,7 Маха. Но насколько реальность совпадет с ожиданиями - покажет время. В США уже был неудачный опыт создания сверхзвукового Boeing 2707. Все закончилось переутяжелением конструкции, невозможностью решить ряд чисто экологических проблем и финансовым крахом. Про Boeing 2707 ходила даже саркастическая шутка: "Самолет, который почти съел Сиэтл". В мае 1971 года госфинансирование было прекращено. К этому моменту на программу уже израсходовали от 700 до 800 миллионов долларов государственных средств. Сыграло роль и то, что самолет по своим характеристикам существенно уступал и Ту-144, и Concorde. Это лишало США политического приоритета в авиационной гонке.
Но мы идем сейчас параллельно с американцами?
Андрей Козлов: У них отставание года на три. Мы пока единоличные лидеры. Американцы раскидали этот проект на стартапы, но так и не смогли сложить отдельные кубики. Потому что это действительно очень сложная, очень высокотехнологичная вещь.
Первый взлет российского сверхзвукового демонстратора комплекса технологий - самолета "Стриж" запланирован на 2029 год. Какой у ЦИАМ прогноз: через какое время мы полетим со сверхзвуковой скоростью?
Андрей Козлов: Первые сверхзвуковые самолеты, по нашим прогнозам, появятся не раньше 2040 годов. Сверхзвук входит в научную часть госпрограммы развития авиационной промышленности, есть соответствующие контракты Минпромторга России. ЦИАМ работает над созданием научно-технического задела по данной теме. Не только формирует предварительный облик двигателей и силовых установок, но и исследует их на экспериментальных образцах отдельных элементов, узлов и систем.
Есть расхожая авиационная шутка: "С хорошим мотором и ворота полетят". Говорят, изначально принадлежала чуть ли не Анри Фарману. Согласны?
Андрей Козлов: В каждой шутке лишь доля шутки. Двигатель неслучайно называют самым наукоемким механическим устройством по плотности инноваций на один кубический сантиметр. Образно говоря, именно на двигателях лежит самая тяжелая работа: они обеспечивают отрыв самолета от земли и полет на сверхзвуке по трассе. Несут всю нагрузку. Накопленный задел мы передаем отрасли.
Искренне и по праву гордимся тем, что все отечественные двигатели разрабатывались и получали путевку в производственную жизнь при активном участии ЦИАМ. Приятно признавать, что эти процессы не прекращались все 95 лет существования института.