Глава ЦИАМ: Россия участвует в создании сверхзвукового самолета на водородном топливе
Создание перспективного двигателя большой тяги ПД-35 будет профинансировано на несколько лет вперед, заявил президент России Владимир Путин. О том, какими двигателями оснастят самолеты будущего и когда отечественные лайнеры взлетят на электрической тяге, а также создает ли Россия сверхзвуковой пассажирский самолет, в интервью ТАСС рассказал Михаил Гордин, генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского").
— Михаил Валерьевич, каковы основные направления деятельности ЦИАМ? На каких ключевых проектах и исследованиях сегодня сконцентрированы специалисты института?
— ЦИАМ формирует облик отечественных авиадвигателей — уже сейчас мы работаем над созданием технологий для перспективных силовых установок 2030-х годов. Мы ведем полный цикл исследований для создания двигателей и промышленных газотурбинных установок на их основе, а также осуществляем научно-техническое сопровождение изделий в эксплуатации. Главный наш "продукт" — научно-технический задел, то есть создание новых знаний и технологий, необходимых для того, чтобы конструкторы проектировали современные двигатели для различных сложных систем.
Например, сегодня активно обсуждаются аддитивные технологии как инновационный способ производства деталей и комплектующих (создание объектов по данным 3D-модели наслаиванием материала — прим. ТАСС). Новые технологии производства еще не дают полного понимания, какие дефекты возможны при производстве, насколько такие детали будут надежными, как в них будут развиваться усталостные явления. Кроме того, нужно придумать, как спроектировать детали из новых материалов, потому что в учебниках этого не написано.
Мы занимаемся и фундаментальными исследованиями: знания в основополагающих разделах газо- или аэродинамики необходимо целенаправленно расширять в определенных направлениях для реализации конкретных практических задач.
— Двигатели для самолетов шестого поколения тоже вы разрабатываете?
— Сейчас принято считать, что "в серию" выходят двигатели пятого поколения и ведется разработка двигателей шестого поколения. Опытно-конструкторские работы (ОКР) по шестому поколению начнутся, наверное, только лет через десять. По пятому они сейчас либо завершаются, либо уже завершены. Например, ПД-14 — гражданский двигатель пятого поколения — сейчас завершает процесс испытаний и сертификации и через некоторое время начнет производиться серийно. ЦИАМ активно участвует в его создании: мы разрабатывали подходы к его проектированию и выполнили часть проектных работ. Сейчас основной наш вклад — это его инженерные и сертификационные испытания. Они проходят на нашей уникальной экспериментальной базе. Все узлы для ПД-14 тоже испытывались у нас, в Научно-испытательном центре ЦИАМ, расположенном в Подмосковье. Испытания проводятся в высотно-скоростных полетных условиях, максимально приближенных к реальным, на специальных высотных стендах. Вообще все наиболее сложные и энергоемкие виды обязательных испытаний авиадвигателей выполняются в России только в НИЦ ЦИАМ. Причем у нас испытываются не только отечественные, но и зарубежные силовые установки, например французской компании Safran.
Среди работ в этой области, проведенных ЦИАМ за последнее десятилетие, можно отметить испытания для сертификации модификаций ПС-90А и ПС-90А1, ПС-90А2 и ПС-90А3, SaM146, вспомогательных силовых установок, а также подтверждение сертификатов зарубежных силовых установок для использования на российских самолетах и вертолетах.
А если говорить о шестом поколении, то пока только как о наборе технологий, который необходим для того, чтобы создать такие двигатели — что на Западе, что в России.
— Работает ли сегодня ЦИАМ над двигателями для сверхзвукового полета? Каким должен быть самолет, способный осуществлять продолжительный (не менее часа) крейсерский полет со скоростью, в несколько раз превышающей скорость звука?
— Мы участвуем в международном проекте по разработке высокоскоростного гражданского самолета HEXAFLY-INT. В этом крупном кооперационном проекте сотрудничают ведущие мировые и российские научные организации: ЦАГИ, ЛИИ им. М.М. Громова, МФТИ, Европейское космическое агентство (ESA), ONERA, Германский центр авиации и космонавтики (DLR), CIRA, Университет Сиднея. Цель проекта — создание летательного аппарата на водородном топливе, способного достигать скорости порядка 7000–8000 км/ч, что позволит преодолеть, например, расстояние от Москвы до Сиднея за три часа.
Основным итогом работ на сегодняшний день является демонстрация в высотных условиях положительного аэродвигательного баланса (тяга превышает суммарное аэродинамическое сопротивление) стендового модуля при числе Маха 7,4.
ЦИАМ работает над обликом двигателя и силовой установки для перспективного делового пассажирского самолета со сверхзвуковой скоростью полета при числах Маха 1,6–1,8, с низкими уровнями звукового удара, шума при взлете и посадке, эмиссии вредных веществ. Совместно с ЦАГИ ведем работы по выбору облика, расчетам и испытаниям моделей элементов силовой установки на экспериментальных стендах, в том числе на нашем акустическом стенде и в аэродинамических трубах. Мы предлагаем высокоэффективный воздухозаборник верхнего расположения, малошумные выходные устройства с экранированием шума струи двигателя элементами летательного аппарата.
Выполняется большой комплекс работ по определению перспективных схем и параметров двигателя, включая схемы двигателя переменного цикла.
— Участвовали ли специалисты ЦИАМ в создании концепции двигателя для перспективного скоростного вертолета (ПСВ)?
— ЦИАМ совместно с ЦАГИ участвует в проводимых "Вертолетами России" исследованиях по разработке концепции перспективных скоростных вертолетов (скорость крейсерского полета — до 450 км/ч и более — прим. ТАСС). Выполнен первый этап оценки облика возможных вариантов силовой установки (двигатели и трансмиссия) таких вертолетов.
— Ведутся ли работы над созданием двигателя большой тяги (ПД-35) для перспективного тяжелого транспортного самолета? Когда может быть создан такой двигатель?
— Новый двухконтурный турбореактивный двигатель большой тяги ПД-35 предназначен для установки на перспективные широкофюзеляжные самолеты, в том числе российско-китайский CR929. Он будет значительно мощнее существующих двигателей Д-18Т для самых больших советских самолетов Ан-124/Ан-225. В настоящее время ПД-35 находится в стадии научно-исследовательских разработок (НИР). В ближайшие шесть лет будет создан необходимый научно-технический задел для начала опытно-конструкторских работ.
— Каким будет этот двигатель?
— В нем будут активно использоваться композиционные материалы. Эффективность двигателя повышается с увеличением степени двухконтурности, и в этом случае вентилятор приобретает все большие размеры. А вес вентилятора — это до 15% веса всего двигателя. Лопатки вентилятора ПД-35, например, имеют длину около 1,1 м, диаметр вентилятора на входе — порядка 3 м. Применение металлов в этом случае приводит к недопустимому росту массы. Предлагается изготовить лопатки из полимерных композиционных материалов с металлическими накладками. А каждый килограмм экономии массы вентилятора приводит к снижению массы всего двигателя.
При этом ПД-35 нельзя будет назвать двигателем шестого поколения. У отечественных гражданских двигателей, условно говоря, только-только начинается пятое поколение. Он, скорее всего, будет "5+".
По программе ПД-35 сначала выполняются НИР, разрабатываются 18 технологий, на их основе будет создан двигатель-демонстратор, после этого с небольшим "нахлестом" по времени начнутся ОКР.
В демонстраторе ПД-35 будут заложены все ключевые характеристики с максимальными возможностями: топливная экономичность, простота в изготовлении, обслуживании и т.п. Естественно, такой "супердвигатель" не пойдет в серийное производство, так как получится слишком дорогим и нерентабельным. Когда начнется этап ОКР, будут поставлены задачи развития его определенных характеристик в зависимости от конкретных параметров, которых нужно будет достичь, чтобы этот двигатель был востребован.
Сейчас мы разрабатываем технологии и облик демонстратора для ПД-35. На сегодняшний день согласованы все технические задания на 18 технологий, они сформированы и промышленностью, и нами как головной научной организацией в области авиадвигателестроения. В рамках НИР запланирована их детальная разработка, расчеты, моделирование, потом — изготовление образца.
— За пять-шесть лет, отведенных на эти научно-исследовательские работы, не отстанем ли от зарубежных конкурентов еще больше?
— Пять лет на НИР — это не очень много. Если бы не было определенного задела, точно было бы недостаточно. Но есть опыт ПД-14 и наших западных коллег. Cколько времени займут испытания двигателя и когда он выйдет в серию, — вопрос не к нам, а к промышленности.
Задача ЦИАМ — еще и разработать методики и критерии испытаний деталей авиадвигателей, изготовленных с помощью новых материалов и технических решений, поскольку они будут отличаться от традиционных. Для них нужно создать всю методологическую базу. Например, одно из направлений работ в рамках этой НИР — делать полимеркомпозитные лопатки с дефектами и смотреть, к чему наличие этих дефектов приведет при испытаниях. При этом мы продумываем несколько разных методов изготовления лопаток. По итогам испытаний будет сделан выбор в пользу того или иного варианта.
— Зачем это нужно?
— Мы много лет работаем с металлом и знаем, какие бывают дефекты при литье, обработке, штамповке. И знаем, к чему они приводят при различных ситуациях в воздухе. С полимеркомпозитными материалами опыта мало, статистика развития дефектов не набрана.
— Сколько времени нужно, чтобы разработать двигатель шестого поколения?
— В принципе, разделение на поколения условно. Некоторые технологии уже готовы, некоторые — в процессе разработки. Безусловно, мы хотели бы, чтобы в науку вкладывалось как можно больше средств, так скорее удастся создать что-то новое. Но процесс познания регулируется не только деньгами — требуются и время, и усилия. Есть такое понятие, как S-кривая, которая моделирует развитие различных проектов: сначала идет бурное развитие технологий — резкий рывок вверх, потом наступает плато — область насыщения. Область турбиностроения в этой кривой сейчас ближе к насыщению. Чтобы повысить КПД двигателей на несколько процентов, нужно вложить много времени и денег. Безусловно, в этой области еще есть резервы для совершенствования, но каждый дополнительный процент эффективности, каждое новое качество дается тяжело и дорого.
В самом начале этой кривой находится электродвижение. Мы считаем, что в ближайшие несколько лет будет бурный рост технологий, связанных с электрификацией транспорта, — как в воздухе, так и на земле.
— Что это такое — электрический двигатель?
— Пока это электромотор и пропеллер. Во всяком случае мы говорим о винтовых двигателях. На пути к созданию полностью электрического двигателя все развитые страны сейчас проходят этап разработки гибридного двигателя, у которого есть и турбина, и генератор, вырабатывающий электроэнергию. Второй вариант — отказ от турбины и сохранение электричества в аккумуляторах или топливных элементах. Это более дальний горизонт, потому что пока керосин является очень эффективным источником энергии с точки зрения веса. При сжигании малого количества керосина он дает такое количество энергии, которое ни одна батарея пока не может обеспечить. Но мир активно развивает все более емкие и легкие аккумуляторы и топливные элементы, работающие, например, на водороде. Работы ведутся и по весовой эффективности всего двигателя.
Отдельная проблема для электрического самолета — количество энергии, потребное для самолетных нужд, и управление ее потоками. Есть вопрос управления выделяющимся теплом, с которым нужно что-то делать.
Вообще гибридная и электрическая тяга — это очень перспективное направление, одна из определяющих технологий для будущего авиации. Сейчас в мире много небольших самолетов на одного-двух человек, но все они могут летать очень недолго. На этапе демонстратора технологий и исследований час полета — отлично, дальше уже начинаются вопросы. Пока в мире нет ни одного электрического самолета, который мог бы перевозить пассажиров или грузы. На них летают пилоты-энтузиасты, потому что вопросы надежности такой техники еще до конца не решены. Впереди еще очень длинный путь.
— В России подобные самолеты-демонстраторы есть?
— Мы над ними работаем. Пока ничего, кроме моделей, не летает. Несколько лет назад на топливном элементе летал беспилотник. В настоящее время у нас есть проект по созданию демонстратора гибридной силовой установки с электродвигателем на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Подобных проектов в мире нет. В основе нашего — специальный проводник, охлаждаемый жидким азотом, который при температуре минус 196 °С обладает эффектом нулевого сопротивления. В результате достигается высокий КПД и существенно уменьшаются массогабаритные характеристики двигателя. Двумя такими двигателями мощностью 500 кВт каждый можно будет оборудовать региональный самолет на 19 мест. На уровень демонстратора с пилотом можем выйти в 2019 году. А пилотируемый самолет на два места можем сделать хоть сейчас. Было бы больше средств, наверное, взлетели бы уже в следующем году.
— Поговорим о двигателях для малой авиации. Для ТВС-2-ДТ, созданного СибНИА на замену Ан-2, планируется устанавливать TPE331 компании Honeywell. Почему у нас нет новых разработок в этом сегменте?
— Проблема не в отсутствии новых разработок, они могут быть. Эти самолеты и их двигатели относятся к предыдущим поколениям. Нужны большие вложения в проектирование, испытания и в создание производств, рентабельность которых очень низкая. А западные страны, в отличие от нас, сохранили свои производства.
Недавно в ЦИАМ прошла конференция как раз по теме создания единой федеральной концепции развития двигателестроения для малой и региональной авиации. Была создана рабочая группа, которая представит предложения правительству.
Современные отечественные серийные газотурбинные двигатели для самолетов и вертолетов малой и региональной авиации сегодня просто отсутствуют. В разработке сейчас находятся только два отечественных двигателя: ТВ7-117СТ-01 для самолета Ил-114-300 и ВК-800С для ремоторизации самолета Л-410.
Предпринимаются попытки наладить серийное производство малоразмерных двигателей (в основном поршневых), так как они применяются и на беспилотных летательных аппаратах. Однако их надо разрабатывать в широком диапазоне: от 50–60 до 300–500 л.с.
Еще одним важным направлением исследований являются работы по односекционному экспериментальному роторно-поршневому двигателю, на базе которого возможно создание модельного ряда авиадвигателей мощностью от 100 до 400 л.с. Это размер двигателя для Як-152. Но это демонстратор технологий. Необходимо просчитать, сколько будет стоить зарубежный двигатель, а сколько — отечественный.
Для обеспечения конкурентоспособности отечественных малоразмерных двигателей необходимо создать научно-технический задел по технологиям электрического "умного" двигателя. Исследования по этим направлениям ведутся в ЦИАМ совместно с отраслевыми ОКБ. Реализация технологий должна обеспечить к 2035 году снижение удельного расхода топлива на 15–20%, снижение массы до 30% и повышение надежности и ресурса в два-три раза.
Одним из направлений, позволяющих кардинально улучшить характеристики поршневых двигателей, является применение турбокомпаундных схем, в которых энергия выхлопных газов используется для получения дополнительной мощности, используемой на привод воздушного винта или электрогенератора.
— Получается, перспективы учебной авиации плачевны?
— Нужны тысячи двигателей, чтобы окупить новую разработку. Иногда проще купить или локализовать производство. Это сложная проблема. Поршневые двигатели, наверное, могут развиваться только на базе импортозамещения. Безусловно, двигатели для беспилотников могут выйти в серийное производство, так как сейчас ученые думают над концепцией "роя", то есть большого количества, БПЛА (беспилотный летательный аппарат). Уже есть много проектов, мы регулярно проводим экспертизу некоторых из них. Все развивается, но есть большая проблема с нормативной базой по беспилотной авиации.
— Что можете сказать о нашумевшем в этом году заявлении китайских ученых, которые сообщили о создании "рабочей" версии микроволнового двигателя EmDrive? Его работу действительно невозможно объяснить фундаментальными законами физики? Теоретически — можно ли создать что-то подобное?
— Двигатель EmDrive состоит из устройства-магнетрона, генерирующего микроволновое излучение, и резонатора. Принцип его работы представляет собой новую концепцию электрореактивных двигателей, которые напрямую конвертируют подводимую электрическую энергию в тягу. Никакого нарушения законов физики здесь нет. Двигатель вырабатывает "постоянную" тягу, не тратя при этом топливо, а используя энергию микроволн.
Однако если бы доказательства работоспособности EmDrive существовали, они потребовали бы серьезной работы теоретиков. Пока отсутствие объяснения — незыблемая скала, о которую разбиваются все доводы энтузиастов "невозможного" двигателя. Кто-то любит замечать, что работает — и ладно, не обязательно же знать, как. Но такой подход может привести к неожиданным проблемам при практическом использовании. Например, если работа двигателя связана с магнитным полем, то он может непредсказуемо повести себя среди магнитных полей открытого космоса. А ведь никому не нужно, чтобы аппарат потерял свой единственный источник тяги где-нибудь на полпути к Марсу или далеким объектам пояса Койпера. К классическому требованию предъявить надежные доказательства обязательно должно прилагаться и требование объяснить все происходящее в двигателе. Пока создатели EmDrive не могут показать ни того ни другого.
Информация