Разработка и производство авиационных двигателей сегодня является одной из наиболее наукоемких и высокоразвитых в научном и техническом отношении промышленных отраслей. Повышение топливной эффективности, снижение выбросов вредных веществ и увеличение надежности являются ключевыми задачами, стоящими перед разработчиками. О тенденциях развития авиационных двигателей в ближайшие десятилетия мы поговорили с заместителем генерального директора Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») Александром Луковниковым.
– Александр Валерьевич, расскажите о перспективах развития авиационного двигателестроения в ближайшем и отдаленном будущем. Что для этого делается за рубежом и в нашей стране?
– Изменения в мире технологий – естественный и постоянный процесс. Нам, авиационным специалистам, хотелось бы, конечно, чтобы авиация, как одна из самых технологичных сфер, развивалась как в олимпийском девизе: «быстрее, выше, сильнее», при этом оставаясь надежной, безопасной и удовлетворяющей всем актуальным требованиям по экологии, топливной эффективности и т.д. Но такого результата, естественно, достичь весьма сложно! Вся авиационная техника, а тем более авиационные двигатели – это всегда результат компромисса между потребностями заказчика/эксплуатанта, возможностями отрасли и ценой их реализации.
В области авиационного двигателестроения зарубежные разработки и их различные реализации (серийные изделия) в настоящее время гораздо шире и масштабнее отечественных разработок в силу различных причин. В том числе из-за нашего отставания, усугубленного политическим и экономическим кризисом, последовавшим после развала Советского Союза. Фактически, наша страна чуть не потеряла свою авиационную промышленность, открыв свои границы для поставки самолетов и вертолетов зарубежного производства, во многом бывших в употреблении. Благодаря поддержке государства авиастроительная отрасль постепенно выходит из кризиса, хотя путь этот, к сожалению, не быстрый. Даже во времена СССР поставки отечественной авиационной техники за границу хотя и были гораздо большими, чем сейчас, особенно в страны социалистического лагеря (Восточная Европа, Азия, Африка), все равно встречали жесткую конкуренцию и даже ограничения со стороны капиталистических стран. Занять России свое место в мировом сегменте будет непросто – нас там никто не ждет.
Теперь конкретнее о самих перспективах развития авиационного двигателестроения. Обычно рассматривают среднесрочный (до 5 лет), долгосрочный (до 15 лет) и дальнесрочный (свыше 15-20 лет) прогнозы. Так как двигатель обычно разрабатывается около 8-10 лет, то краткосрочные и среднесрочные прогнозы не имеют большого практического смысла, разве что в плане модернизации существующих серийных двигателей. Для института в большей степени представляет научный интерес долгосрочный и дальнесрочный прогнозы, так как именно они формируют направления для дальнейшего повышения удельных и эксплуатационных характеристик двигателей следующего поколения. Эти направления «раскладываются» на отдельные технологии, отработка которых позволит новые качества (или показатели) двигателей достичь, а затем их комплексировать (обобщить) в новом двигателе. В совокупности эти новые технологии, научные знания, конструкционные материалы составляют суть научно-технического задела (НТЗ). Если нет требуемого НТЗ, то и рассуждения о развитии двигателестроения теряют всякий смысл.
В существующих реалиях России, да и в большинстве авиационных держав, за результатами НТЗ стоит большой труд науки и промышленности при непременной поддержке государства. Задача научной организации, каковой является Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ), – опираясь на многолетний опыт и прогноз развития технологий, с одной стороны привнести в изделие новое и передовое, а с другой стороны – «не навредить». Поскольку создавать двигатель полностью «с нуля» – это не всегда эффективно по причине сопутствующих рисков. Вообще существует такое неписанное правило, что в новом двигателе инновационных технологий и материалов должно быть не больше 20-30%. Иначе риски реализации такого двигателя становятся весьма высокими, что может привести к увеличению сроков и стоимости всего проекта. В истории немало подобных примеров, когда опытно-конструкторские работы (ОКР) по двигателю и даже по летательному аппарату, для которого этот двигатель разрабатывался, прекращались именно по причине незрелости НТЗ и, соответственно, ошибочных принятых технических и конструкторских решений.
В немалой степени способствует повышению совершенства авиационной техники открытая конкуренция между ее разработчиками, когда выбор, например, двигателя для нового самолета или вертолета осуществляется из двух и более альтернативных вариантов по прозрачным и понятным для участников конкурса правилам. Такая конкуренция между опытными конструкторскими бюро (ОКБ) существовала в СССР (например, турбовинтовые двигатели НК-4 и АИ‑20 «соревновались» между собой для новых транспортных и пассажирских самолетов, двухконтурные двигатели ПС-90 и НК-56 – для магистрального самолета). В настоящее время ведущие мировые самолетостроительные фирмы Airbus и Boeing для покупателей своих пассажирских лайнеров предлагают на выбор, в основном, по два возможных варианта двигателя от ведущих двигателестроительных фирм: американских General Electric Aviation (GE), Pratt & Whitney America (PW), от фирмы Rolls-Royce (Великобритания) и их различных альянсов, самый известный среди которых CFM International (CFMI) – совместное предприятие General Electric (США) и Safran Aircraft Engines (Франция).
Так как выпуск магистральных самолетов составляет сотни и даже тысячи изделий в год, то не трудно представить, какая конкуренция и «естественный отбор» происходит в этой отрасли. Например, удельные параметры двух конкурирующих турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД) 5-го поколения Leap‑1A (разработан консорциумом CFMI) и PW1100G-JM (фирма-разработчик PW), устанавливаемых на один и тот же ближне-средний магистральный самолет AirbusA320neo, весьма близки между собой. И только реальная эксплуатация этих двигателей в течение многих лет, и даже десятилетий, выявит «победителя» между разработчиками двигателей по критерию эксплуатационных затрат за весь жизненный цикл самолета. А в выигрыше такой конкуренции всегда остается эксплуатант воздушного судна и, в конечном итоге, пассажир!
В области военной авиации существует такая же конкуренция между разработчиками авиационных двигателей, только там критерии выбора победителя другие. Особенно нагляден примере создания американского истребителя 5-го поколения, когда в итоге конкурса (1990-е годы) между самолетостроительными фирмами Northrop Grumman (совместно с McDonnell Douglas представила самолет-прототип YF‑23 с двигателями GE YF120) и Lockheed Martin (совместно с Boeing и General Dynamics выкатила самолет-прототип YF-22 с двигателями PW YF119) был выбран «победитель», получивший в последствие обозначение F-22 Raptor (с форсажными ТРДД PW F119). Но при этом проигравший продолжал финансироваться государством.
Конечно, я не идеализирую прямую международную конкуренцию, основанную полностью на рыночных механизмах. Там тоже есть свои «подводные камни», например, скрытое финансирование государством «своего» разработчика через другие, непрямые, программы. Но все же при прочих равных условиях конкуренция играет во благо технического прогресса.
Возвращаясь к гражданской авиационной технике следует отметить, что в ближайшие 15-20 лет для дозвуковых магистральных самолетов приоритетными пока остаются традиционные ТРДД, но с более высокими, по сравнению с пятым поколением, параметрами рабочего процесса. Помимо традиционных схем ТРДД в ЦИАМ исследуются альтернативные схемы двигателей для магистральных самолетов будущего: турбовинтовентиляторный двигатель с «открытым ротором» (ТВВДор), двигатели сложных термодинамических циклов (ТРДДсц), распределенные силовые установки (РСУ), а также двигатели изменяемого цикла (ДИЦ) для перспективных сверхзвуковых деловых самолетов. Но все эти схемы – горизонт дальнесрочной перспективы. Скорее всего такие двигатели появятся не раньше 2040-х годов, при условии, что весь необходимый для них НТЗ будет создан и отработан на так называемых двигателях-демонстраторах технологий.
Для самолетов малой авиации, авиации общего назначения, вертолетов и беспилотников рассматриваются традиционные турбовинтовые и турбовальные схемы газотурбинных двигателей (ГТД), а также авиационные поршневые (АПД) и роторно-поршневые (РПД) двигатели различной размерности. Но именно в области малой и региональной авиации в настоящее время разворачиваются интересные события, которые, в конечном итоге, могут привести к смещению первенства ГТД новыми типами силовых установок: гибридными (ГСУ) и электрическими (ЭСУ). Ясно из названия, что ГСУ – это гибрид двигателя внутреннего сгорания (им может быть ГТД, АПД или РПД) и электрического мотора. В полностью электрической силовой установке тяга или мощность создается только с использованием электрических машин, а источником электрической энергии могут являться аккумуляторные батареи, топливные элементы (твердополимерные или твердооксидные) и др., а также их комбинации.
В области электрических машин в настоящее время происходят революционные преобразования – ведущие страны мира вкладывают значительные ресурсы в инновации, направленные на улучшение удельных показателей электрических элементов: электромоторов, электрогенераторов, преобразователей тока и источников электроэнергии, токопроводящие и ферромагнитные материалы и пр. Некоторые свойства электрических машин может существенно улучшить, а значит, уменьшить их габариты и массу, применение криогенных охладителей, так как при этом возникает такое явление, как сверхпроводимость. Таким охладителем может явиться криогенный водород, который, к тому же, может использоваться в топливных элементах для выработки электроэнергии, а в самих двигателях внутреннего сгорания (в схемах ГСУ) в качестве топлива для них. Применение водорода и в традиционных ГТД также сулит выигрыши в плане снижения удельного расхода топлива и улучшения экологических показателей – полностью исключается выброс углекислого газа, являющегося опасным парниковым газом.
Но пока путь ГСУ и ЭСУ в «большую» авиацию – магистральные самолеты средней и большой дальности – закрыт именно по причине больших габаритов и массы электрических элементов этих силовых установок. Так, в настоящее время удельная мощность электрических источников энергии во много раз уступает энергии, выделяющейся при сгорании единицы массы традиционного топлива – авиационного керосина.
Кстати я добавлю, что первый полет первой в нашей стране летающей лаборатории «ЦИАМ 80-2» с бортовой энергетической установкой на основе твердополимерных топливных элементов состоялся в ноябре 2010 года на московском аэродроме «Тушино» (тогда он еще не был застроен небоскребами, как сейчас). Чуть позже, в мае 2013 г. наши наработки по ЭСУ применительно к небольшим беспилотным самолетам, осуществленные совместно с ИПХФ РАН, были продемонстрированы высшему руководству страны.
Сейчас перед Институтом стоит задача в дальнейшей отработке и наращивании научно-технического задела для традиционных и новых схем двигателей и силовых установок следующего поколения: ЦИАМ формирует не только их предварительные облики, но и исследует, в том числе и на экспериментальных образцах и установках, различные по своей природе процессы, происходящие в отдельных элементах, узлах и системам, анализируя эффективность тех или иных решений в данной области. Эти исследования мы проводим не одни, а в тесной и плодотворной кооперации с другими отраслевыми институтами, предприятиями АО «Объединенной двигателестроительной корпорации» и другими разработчиками авиационных двигателей и летательных аппаратов, ведущими техническими вузами, институтами РАН. В конечном итоге, миссия ЦИАМ состоит в том, чтобы весь накопленный задел нашел реализацию в конкретных конструкциях.
Подытоживаю главную мысль в ответе не первый вопрос – если Россия хочет (на самом деле должна!) оставаться авиационной державой, то мы помимо выпуска серийной авиационной техники должны постоянно думать о перспективах ее развития и во всю силу работать в этом направлении.
– Развитие мирового двигателестроения идет по пути все более ужесточающихся экологических требований. Экологические показатели АТГН (авиационная техника гражданского назначения): для чего они, их место в современном мире и влияние на конкурентоспособность на международных авиалиниях?
– Проблема экологического регулирования в авиации действительно краеугольная тема для разработчиков техники. Каждый год международные организации вроде ИКАО (Международная организация гражданской авиации) ужесточают свои ожидания по шуму и выбросу вредных веществ от силовой установки и самолета в целом. Но озвученные требования – например, к 2050 году свести к нулю выбросы в районе аэропортов – намного опережают реальное развитие технологий в авиации. Именно поэтому иногда создается впечатление (и, наверно, небезосновательное), что «закручивание гаек» в области экологического совершенствования авиационной техники – это «замаскированный» способ конкурентной борьбы за первенство на мировом рынке.
Тем не менее, ужесточающиеся требования действуют и в обратную сторону: они становятся катализатором развития и трансформации к более совершенным схемам авиационных силовых установок, которые, в свою очередь, могут потребовать новых технологий.
Я уже в ответе на первый вопрос отмечал, что авиация – эта та сфера, где поиск компромиссов постоянен, и каждый плюс порождает свой минус. Поэтому нужно искать компромиссные пути улучшения, которые устроят всех. В основном проблемы экологии гражданской авиации связаны с маршевыми двигателями: они являются основными источниками шума самолета и эмиссии вредных веществ. В частности, большие ожидания связаны с дальнейшим совершенствованием звукопоглощающих устройств (панелей или покрытий), а также повышения эффективности процесса горения в камере сгорания двигателя. И в этой связи на тех, кто исследует эти процессы, в том числе создает новые схемы организации топливо-воздушной смеси и ее последующего горения, ложится большой пласт работ. Особенно на фундаментальную и прикладную науку, которая, если выражаться фигурально, должна своими исследованиями «изобрести» формулу экологически чистого авиационного двигателя, который в будущем способен шуметь так же, как мотор автомобиля, и при этом выделять в атмосферу минимальное количество углекислого газа, или вообще его не выделять.
Для того, чтобы гражданской авиации соответствовать критериям, установленным ей по шуму и эмиссии, в нашей стране разрабатываются методики, схемы и технологии, позволяющие улучшать имеющиеся параметры уже в существующих двигателях, так и внедрять их в перспективные разработки. Если сказать подробнее об эмиссии углекислого газа и других веществ, загрязняющих окружающую среду, то в данный момент разрабатываются более совершенные и экологичные (малоэмиссионные) камеры сгорания с использованием в их конструкции композиционных материалов.
Кроме того, исследуются альтернативные виды топлива, имеющие более низкий так называемый «углеродный след» (это топлива SAF и LCAF). Эти работы также важны, поскольку по требованию CORSIA ИКАО («Система компенсации и сокращения выбросов углерода для международной авиации»), в скором времени часть всего парка самолетов должна летать на альтернативных топливах растительного происхождения. Специалисты ЦИАМ участвуют, в том числе, в разработке новых международных нормативных документов по этим видам авиационного топлива и исследует возможности их производства в России.
– ЦИАМ ведет работы по более экологичным гибридным и электрическим силовым установкам в рамках комплексных научно-технических проектов. Их курирует Национальный исследовательский центр «Институт имени Н.Е. Жуковского» совместно с ЦАГИ, СибНИА, УУНиТ, МАИ и др. В чем суть разработок?
– Цель этих работ – совершенствование существующих и разработка будущих более экологичных силовых установок. Я уже чуть ранее отметил, что гибридные и электрические силовые установки являются более экологичными, чем газотурбинные, поскольку используют частично (в ГСУ) или полностью (ЭСУ) мощность электрических двигателей, приводимых от источника электрической энергии. В теории выбросы вредных веществ от ЭСУ вообще отсутствуют.
Пока в ЦИАМ в рамках научно-исследовательских работ (НИР) создаются демонстраторы технологий ГСУ и ЭСУ, главная задача которых показать возможность создания подобных изделий. То есть надо понимать, что это не опытный или серийный образец, который реально будет летать. Тем не менее, в рамках НИР уже создан двигатель-демонстратор гибридной силовой установки на 500 кВт. В 2021 году прошли ее успешные летные испытания в составе самолета-лаборатории Як-40. Это подтвердило принципиальную возможность создавать подобные силовые установки. В настоящее время этот задел используется при создании более мощной ГСУ установки уже мощностью около 1 МВт. Кроме того, ЦИАМ разработал демонстратор полностью электрической силовой установки беспилотного вертолета, в которой подъемную и пропульсивную силы создает воздушный винт, приводимый во вращение электрическим двигателем.
Также ЭСУ более просты в конструкции и обслуживании. При этом стоимость электричества по сравнению с топливом существенно ниже. Но я повторюсь и скажу, что у каждой медали есть две стороны. Многие наверняка слышали про проблему с электроавтомобилями, возникшую в некоторых странах и связанную с утилизацией аккумуляторных батарей после окончания их жизненного цикла. Нечто подобное может ожидать и авиационные электрические силовые установки электролетов.
В заключении ответа на этот вопрос добавлю, что ГСУ и ЭСУ есть очень важное преимущество по сравнению с традиционными двигателями – это «гибкость» или многовариантность их компоновки на летательном аппарате, так как источник энергии может находиться в одном месте (как правило ближе к центру масс), а движители – воздушные винты, вентиляторы (импеллеры) – в различных местах аппарата, исходя из его предназначения и требуемых условий эксплуатации. Именно проверка компоновочных решений и оценка их эффективности на уровне летных демонстраторов технологий самолетов и вертолетов будущего, для которых мы разрабатываем те или иные силовые установки, ложится на плечи ЦАГИ и СибНИА. Технические вузы, в том числе МАИ, УУНиТ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, также осуществляют разработки ряда систем летательных аппаратов и двигателей для отработки их в едином изделии, где все компоненты должны быть интегрированы.
– Специалистами института проектируются, изготавливаются и испытываются на уникальных экспериментальных установках демонстраторы отдельных узлов и систем авиационных двигателей и СУ для отработки соответствующих критических технологий. Финальным этапом является изготовление и испытания экспериментального газогенератора и двигателя‑демонстратора технологий в целом. В каких работах ЦИАМ предстоит принимать участие?
– ЦИАМ – это, прежде всего, отраслевой институт. Он оказывает экспертную поддержку промышленности 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 истории – а в декабре этого года нашему Институту исполняется 95 лет – ЦИАМ являлся мозговым центром, в котором генерировалось всё новое и передовое, что закладывалось в отечественных двигателях.
Демонстратор – это не просто узел. При его создании объединяются знания специалистов в различных областях знаний, таких как термодинамика, газовая динамика, теплогидравлика, прочность, проектирование лопаточных машин, исследование физико-химических процессов и др.
Так исторически сложилось, что в ЦИАМ, начиная с 1950-х годов, создана мощная экспериментальная и испытательная база, которая все прошедшие десятилетия используется для разработки авиационной техники. Эта база, оставаясь самой большой не только в России, но и во всей Европе, конечно, требует не только своего ежедневного обслуживания для поддержания в исправном состоянии, но и дальнейшего совершенствования. Это необходимо для того, чтобы была возможность воспроизводить те условия, те физические параметры, которые должны достигаться в перспективных двигателях. В первую очередь здесь идет о величинах полного давления, полной температуры и расходов воздуха и газа, которые должны обеспечиваться экспериментальными установками, термобарокамерами и пр.
Поэтому нами выполняется и еще предстоит в ближайшие годы большая работа, в первую очередь, в рамках комплексных научно-технологических проектов (КНТП), выполняемых нами совместно с ЦАГИ, СибНИА и ГосНИИАС под руководством НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского». ЦИАМ в рамках этих КНТП создает НТЗ для разработки силовых установок сверхзвукового гражданского самолета (СГС), магистральных и региональных самолетов и винтокрылых летательных аппаратов нового поколения.
В качестве маршевой СУ для летного демонстратора технологий (ЛДТ) МС рассматривается ТРДД с высокой степенью двухконтурности и редукторным приводом вентилятора. Для ЛДТ регионального самолета исследуются как традиционные силовые установки на базе ГТД, так и ГСУ/ЭСУ. Для винтокрылов также рассматриваются ГСУ и ЭСУ.
– ЦИАМ осуществляет научно-методическое сопровождение ведущихся в отрасли разработок опытных авиационных двигателей и ЛА, выполняет доводочные и сертификационные испытания двигателей и элементов ЛА с использованием уникальной экспериментальной базы. Расскажите о задачах на сегодняшний день и перспективах развития данного направления.
– Опыт Института в разработке, испытаний и доводке авиационной техники и, в частности, двигателей, в обеспечение их сертификации, начал формироваться с момента основания ЦИАМ. С созданием в Тураево испытательной площадки, о которой я сказал ранее, которая со временем превратилась в уникальный комплекс по возможностям воспроизведения условий полета, в том числе сложных (обледенение, шквалистый град, вулканический пепел, попадание птиц и др.), Институт стал, по сути, незаменим.
Практически каждый российский авиационный двигатель, его компоненты, узлы и системы проходили испытания в стенах Института, получали заключения, подготовленные нашими экспертами. Разумеется, в дальнейшем при получении двигателем Сертификата типа эти испытания и их результаты имели весомое значение. Поэтому задачи в этом направлении год от года остаются неизменными – проводить испытания во всем диапазоне наших возможностей и по всем типам авиационных двигателей. В перспективе – появление модернизированных стендов и появление нового оборудования для проведения испытаний.
Кроме того, Институт и сам – интегратор технологий. Как я уже говорил, мы прорабатывает разные концепции и схемы, проверяем методики и конструктивные схемы на двигателях-демонстраторах технологий.
В заключении могу сказать, что наше интервью получилось несколько обзорным, хотя и с примерами. Я не погружался в технические подробности, не приводил конкретные значения каких-то параметров и пр. Поэтому всех специалистов авиационной отрасли я приглашаю на нашу традиционную Международную научно-техническую конференцию по авиационным двигателям «ICAM 2025», которая пройдет 1-3 декабря 2025 года в г. Москве. На этой конференции участники смогут полностью погрузиться в технические проблемы, которые решает авиадвигателестроительная отрасль в целом. Добавлю, что участие в нашей конференции – бесплатное.
Пользуясь случаем добавлю, что журнал «Крылья Родины» мои родители выписывали через почту несколько лет, пока я учился в 7-10 классах. И каждый раз с нетерпением ждал почтальона со свежим номером Вашего журнала, из которого черпал новые знания про авиацию. Это в последствии повлияло на выбор будущей моей профессии!