Двигателестроение

М.В. Гордин, генеральный директор ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова". Наука российского авиадвигателестроения: 90 лет ЦИАМ

DSC_2087.jpg

Государственный научный центр Российской Федерации, Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова» (входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») – ведущая научная организация страны в области авиадвигателестроения. ЦИАМ осуществляет полный цикл исследований, необходимых для создания авиационных двигателей и газотурбинных установок на их основе, а также научно-техническое сопровождение изделий, находящихся в эксплуатации. 3 декабря ЦИАМ отметил свое 90-летие. Об основных достижениях, направлениях исследований Института и силовых установках будущего «Крыльям Родины» рассказал генеральный директор ЦИАМ, к.т.н. Михаил Гордин.

М.В. Гордин.JPG

- Михаил Валерьевич, каков вклад ЦИАМ в станов­ление и развитие советской авиации? Какое место в авиационной промышленности России сегодня занимает ЦИАМ?

- По хронологии развития Института можно проследить всю историю авиадвигателестроения СССР и России. Практически все отечественные авиад­вигатели созданы при участии специалистов ЦИАМ, многие из которых возглавили известные сегодня ОКБ – В.Я. Климов, А.А. Микулин, А.М. Люлька и др. Даже сам термин «поколение двигателей» получил свое опреде­ление в наших стенах.

Сегодня наша основная задача - обеспечение промышленности научно-технической и экспери­ментальной поддержкой и определение перспектив развития авиационного двигателестроения. Поясню: срок разработки нового двигателя в 1,5-2 раза превышает срок создания любого другого компо­нента самолета. Чтобы у России через 10-15 лет были собственные конкурентоспособные авиаци­онные двигатели, работать над ними нужно уже сейчас.

Мы прогнозируем облик двигателей будущего с учетом достижений мировой науки и техники. Совместно с отраслевыми КБ разрабатываем критические техно­логии для них и тем самым формируем опережающий научно-технический задел (НТЗ) для минимизации рисков и затрат на этапе опытно-конструкторских работ.

НТЗ создается для критических технологий, на которых будут базироваться эти двигатели, для их элементов и узлов. В том числе – на основе применения инновационных технологий, которые помогают достичь целевых показателей по топливной эффективности, снижению шума и эмиссии вредных веществ.

Для этого ЦИАМ проводит исследования в целом ряде областей науки. Разработанные технологии и решения Институт исследует на экспериментальных образцах, демонстраторах технологий. Полученные результаты передаются разработчикам двигателей и применяются ими в серийных изделиях. Можно сказать, что наша основная продукция – это междисциплинарные знания, воплощаемые в серийном высокотехнологичном продукте – авиационных двигателях.

Мы также обеспечиваем научно-техническое сопро­вождение создания двигателей и проведение испытаний в ходе опытно-конструкторских работ, производства и послепродажного обслуживания.

ЦИАМ в цифрах.jpg

Для решения задач испытаний и экспериментальных исследований мы задействуем наш Научно-испытательный центр, выполняем большое количество специальных испытаний – весь комплекс работ, необходимый для серти­фикации используемых в отечественной авиации двига­телей. Без высотных испытаний на наземных стендах не обойтись при отработке двигателей для любых летательных аппаратов. Наземные испытания предваряют летные – завершающий этап программы разработки двигателя.

Занимаемся и глобальными вопросами: участвуем в разработке государственной стратегии развития авиаци­онной промышленности, отвечаем за создание регуля­торной базы по авиадвигателестроению и контроль исполнения в области ОКР.

В своей области компетенций участвуем и в между­народных проектах в сфере гражданского авиационного двигателестроения.

- По каким магистральным направлениям работает Институт сегодня?

Сегодня, как и всегда, ведется прикладная работа с прицелом на дальнюю перспективу. ЦИАМ участвует в ряде проектов, имеющих стратегическое значение для отечественной авиации. Ведем исследования по теме маршевых двигателей и вспомогательных силовых установок перспективных самолетов 5+ и 6-го поколений. Пока что приоритетными для дозвуковых магистральных и транспортных самолетов остаются традиционные турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД), но с более высокими, по сравнению с 5-м поколением, параметрами рабочего процесса. Для самолетов малой авиации, авиации общего назначения, вертолетов и беспилотников рассматриваются малораз­мерные газотурбинные двигатели традиционной схемы и поршневые двигатели различной размерности.

Активно исследуем альтернативные концепции двигателей – гибридный двигатель; электрическую силовую установку; двигатели сложных термодина­мических циклов; с «открытым ротором»; распреде­ленную силовую установку (РСУ), а также новые схемы двигателей, в том числе изменяемого цикла (ДИЦ), для перспективных сверхзвуковых деловых и пассажирских самолетов.

Среди главных достижений российского авиадвига­телестроения новейшего времени, в котором принимал участие ЦИАМ, – создание гражданского двигателя 5-го поколения ПД-14. Помимо ПД-14, мы сотрудничаем с Объединенной двигателестроительной корпорацией по целому ряду других программ. В первую очередь это, конечно, гражданский авиационный двигатель большой тяги ПД-35. Другое важное направление – семейство двигателей ТВ7-117. Это и вертолетный турбовальный двигатель ТВ7-117В для вертолета Ми-38, и самолетный ТВ7-117СТ-01.

4.jpg

Подписание соглашения ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» и АО «УЗГА» о научно-техническом сотрудничестве

Совместно с АО «УЗГА» развиваем направление моторов для самолетов малой авиации и БПЛА, недавно ЦИАМ завершил формирование единого типоразмерного ряда двигателей в диапазоне мощности 50-500 л.с.

- Известно, что ЦИАМ был активным участ­ником проекта создания гражданского двигателя пятого поколения ПД-14 для авиалайнера МС-21. Расскажите, пожалуйста, о вкладе Института.

- Разработка НТЗ для будущего ПД-14, отечественного турбореактивного двигателя с большой степенью двухконтурности (ТРДД), началась в 1999 году по иници­ативе генерального директора Института В.А. Скибина (в этом году мы отметили его юбилей – Владимиру Алексе­евичу исполнилось бы 80 лет). ЦИАМ был назначен головным исполнителем по формированию НТЗ.

Научный задел был необходим: двигатель был абсолютно новый, отличный в технологическом плане от предыдущих поколений. По всем узлам и системам НТЗ создавался фактически заново. Совместно с ЦАГИ ЦИАМ разработал техническое задание на формирование облика. Наше сотрудничество с АО «ОДК-Авиадвигатель» по будущему ПД-14 началось в 2000 году. В 2002-м был сформирован предварительный облик, с 2004-го началось государственное финансирование. По госконтрактам ЦИАМ создал модели элементов двигателя: широко­хордные малошумные вентиляторы, отсек малоэмисси­онной камеры сгорания, типовые ступени компрессора и турбины высокого давления, модельные шевронные сопла и др. Параллельно в Институте велись фундаментальные и поисковые исследования в различных областях.

В 2009 году головным исполнителем создания двигателя стал ОАО «УК «ОДК» (ныне – АО «ОДК») при активном участии ЦИАМ, ВИАМ, АО «Авиадвигатель», «УМПО», «ПМЗ», «НПЦ газотурбостроения «Салют» и др.

В 2012 году наработанный НТЗ был реализован при создании в рекордные для нашей страны сроки (3 года) демонстрационного двигателя по программе ПД-14.

1.JPG

Техническое задание ЦИАМ и ЦАГИ на формирование облика ТРДД нового поколения 
(будущего ПД-14) для магистральных самолетов, 1999 год

В рамках этого проекта были проведены научно- исследовательские работы по 16 критическим техно­логиям, призванным обеспечить высокие параметры ПД-14: снизить массу, добиться соответствия жестким экологическим требованиям, обеспечить высокие показатели надежности и эксплуатационной техноло­гичности. Сертификационные испытания подтвердили их успешную реализацию: например, по показателям эмиссии вредных веществ двигатель соответствует нормам стандарта ИКАО. Это значит, что конструк­тивные решения камеры сгорания были выбраны верно. Двигатель также отвечает требованиям ИКАО по акусти­ческим характеристикам и другим заявленным характе­ристикам.

ЦИАМ продолжал участвовать в экспериментальной отработке, выступать соисполнителем по целому ряду направлений. Мы выполнили большой комплекс работ по сертификации, включая экспертизу и испытания на наших стендах. Вообще, если говорить об испытаниях, в ЦИАМ был проведен комплекс исследований по оценке основных параметров двигателя ПД-14, подтвердивших его работоспособность в высотно-скоростных условиях. На нашем стенде прошли испытания несколько конструктивных вариантов турбин. Испытали венти­лятор забросом крупной птицы, провели уникальные климатические испытания в условиях «классического» обледенения и с попаданием кусков льда в двигатель.

Нельзя не отметить тот факт, что впервые – раньше этого в отечественной практике не было – ЦИАМ совместно с ФГУП «ВИАМ» и АО «ОДК-Авиадвигатель» выполнили комплекс экспериментальных работ по формированию банка данных по конструкционной прочности перспективных сплавов и композиционных материалов. Для сравнения: при сертификации ТРДД Sam146 в 2010 году в его конструкции не было ни одного российского материала по причине отсутствия их квали­фикации.

ПД-14 – высоко инновационный проект, в нем реали­зован целый ряд новых подходов и методик к разработке авиационных двигателей. Применено большое число конструктивных и технологических решений, ставших новыми для отечественного двигателестроения в целом.

Сегодня сотрудничество ЦИАМ и ОДК по ПД-14 продолжается. Ведется большая работа по валидации российского сертификата в EASA с одновременным снятием ряда эксплуатационных ограничений.

- А как было с ПД-35?

- Программа ПД-35 – это прежде всего наработка компетенций в новом для России сегменте гражданских реактивных двигателей большой тяги – от 24 до 50 тонн. Началась она с того, что в конце 2012 года руководство ЦИАМ выступило на Экспертном совете по федеральной целевой программе развития гражданской авиатехники с предложением открыть НИР по обоснованию и форми­рованию технического облика ТРДД большой тяги.

Эту НИР ЦИАМ выполнил в 2014-2015 годах. Ее основным результатом стало техническое предложение по двигателю, получившему впоследствии наименование ПД-35. Как и с ПД-14, этот документ стал основой для АО «ОДК – Авиадвигатель», который с 2016 года возглавил проект, начав с отработки 18 критических технологий, необходимых для обеспечения конкурен­тоспособности будущего двигателя.

ЦИАМ продолжает активно участвовать в этой работе.

- И что за горизонтом? Каковы перспективы авиационных двигателей? За развитием каких ключевых технологий – ближайшее будущее двига­телестроения?

- Революции в дальнейшем развитии традиционных газотурбинных двигателей ждать не стоит, они уже достигли достаточно высокого уровня совершенства.

6.jpg

Двигатели на совместном стенде УЗГА и ЦИАМ на форуме «Армия-2020»

Тем не менее, потенциал для их оптимизации еще есть. Она возможна за счет использования новых конструк­торских решений, материалов и технологий – компо­зитов, жаропрочных супер-сплавов, аддитивных техно­логий и т.д. Это то, что может быть сделано и делается уже на сегодняшнем этапе.

В ближайшем будущем авиационную технику ждет внедрение принципиально новых, прорывных концепций и технологий, например, электроэнергети­ческих. В более отдаленной перспективе речь пойдет о создании высокоскоростного воздушного транспорта со сверхзвуковой, а затем и гиперзвуковой крейсерской скоростью. При этом ключевым ориентиром для гражданских авиационных двигателей будет достижение более высоких показателей экономичности, экологич­ности и надежности.

- Какая работа проводится ЦИАМ по популярному во всем мире направлению гибридных и электри­ческих силовых установок?

ЦИАМ начал заниматься этой тематикой с 2008 года. На сегодня проведен большой объем собственных расчетов и практических исследований, проанализи­рован мировой опыт разработок. Тесно взаимодействуем с другими организациями в этой области.

ЦИАМ является головным исполнителем трех НИР по госконтрактам с Минпромторгом России. По первой из них, «Перспективные ГСУ (ГСУ – гибридные силовые установки, прим. ред.)», мы оцениваем эффек­тивность применения различных схем гибридных и электрических силовых установок. Для этого мы исследуем методики, разрабатываем математи­ческие модели разного уровня, создаем образцы демонстраторов технологий – полностью электри­ческую силовую установку для легких пилоти­руемых самолетов (в качестве базы для экспе­римента выбран двухместный самолет Сигма-4) в двух вариантах. Первый – полностью на аккуму­ляторах, второй – на аккумуляторах и водородных топливных элементах. В настоящее время на нашем производстве уже создан электрический двигатель мощностью 60 кВт, предназначенный для вращения воздушного винта самолета, и другие элементы силовой установки. Такая силовая установка сможет применяться на легких самолетах и БПЛА.

2.JPG

Электрический двигатель на высокотемпературных сверхпроводниках мощностью 500 кВт

Параллельно с этими проектами создается демон­стратор вспомогательной энергетической установки мощностью 30-40 кВт для самолетов на базе топливного элемента. Это энергоузел, который может обеспечивать магистральный самолет электроэнергией и на земле, и в полете. Такая силовая установка способна сократить вредные выбросы (ее фактический выхлоп – водяной пар) и снизить их концентрацию в районе аэродрома. Это направление перспективно и актуально в связи с ужесточающимися требованиями ИКАО к выбросам в аэропортовой зоне.

И третий демонстратор, в реализации которого тесное участие принимает УГАТУ, – это электрический двигатель для электрической силовой установки легкого пилоти­руемого вертолета.

Вторая НИР – «Электролет СУ-2020» – больше похожа на ОКР Ее цель – создание демонстратора технологий ГСУ и его испытания, в том числе в составе летательного аппарата. На сегодняшний день демонстратор ГСУ с электродвигателем мощностью 500 кВт уже разработан и прошел ряд стендовых испытаний. Сейчас мы находимся на подготовительном этапе к его установке на летающую лабораторию.

Ключевая особенность этой работы – приме­нение технологий высокотемпературной сверхпрово­димости. Проект реализуется в широкой кооперации предприятий. Например, СибНИА на базе самолета Як-40 создает летающую лабораторию.

3.JPG

Макет летающей лаборатории для испытания демонстратора гибридной силовой установки на базе самолета Як-40

С Уфимским авиационным техническим универ­ситетом мы сотрудничаем по традиционным электри­ческим машинам. ЗАО «СуперОкс», обладающее исклю­чительными компетенциями в области высокотемпера­турных сверхпроводников, разрабатывает электродви­гатель по заказу Фонда перспективных исследований.

Третий проект – НИР «Флагман-2» – выполняется ЦИАМ в кооперации с ЦАГИ, ГосНИИАС, НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», МАИ и ООО «ФМ-Лаб» в рамках международного сотрудничества с европей­скими партнерами по программе «Горизонт-2020» (Восьмая рамочная программа Европейского Союза). Это проекты IMOTHEP и FUTPRINT50, посвященные концептуальным исследованиям перспективных регио­нальных и ближне-среднемагистральных самолетов с гибридными силовыми установками. В этих проектах задействованы более 30 ведущих мировых НИИ и университетов. Основная задача ЦИАМ – рассмотреть возможность и оценить эффективность применения технологий высокотемпературной сверхпроводимости в электрическом оборудовании для гибридных силовых установок.

- В последнее время много говорят о перспективах сверхзвуковой пассажирской авиации. ЦИАМ входит в состав НЦМУ «Сверхзвук». Какова роль Института в создании будущего сверхзвукового авиалайнера?

В августе 2019 года ЦИАМ вошел в консорциум Научного центра мирового уровня «Сверхзвук». Иници­атором и координатором НЦМУ «Сверхзвук», иссле­дования которого реализуются в рамках нацпроекта «Наука» Минобрнауки, выступил ФГУП «ЦАГИ».

03.jpg

Посещение стенда ЦИАМ министром промышленности и торговли Д.В. Мантуровым

Перед ЦИАМ, головной организацией в области авиадвигателестроения, стоит задача по решению проблем обеспечения высоких тягово-экономических, экологических характеристик, высокого ресурса и надежности двигателя сверхзвукового пассажир­ского самолета (СГС). Это задача непростая, поскольку двигатель такого лайнера 70% полетного времени работает на максимальных режимах. Институт возглавил одну из пяти лабораторий НЦМУ – «Газовая динамика и силовая установка». Среди фундамен­тальных вопросов – уменьшение шума двигателя, снижение выбросов вредных веществ, улучшение рабочих процессов и прочностных характеристик. Необходимо проработать и научные задачи, связанные с сертификацией.

ЦИАМ будет заниматься комплексной разработкой новых технических решений в узлах силовой установки, её системы автоматического управления, создавать и применять методики математического моделирования, в том числе с использованием технологий «цифровых двойников».

- Какая практическая работа проводится по двига­телям для малой авиации?

- Естественно, малой авиации не может быть без собственных двигателей для легкомоторных самолетов. К сожалению, в последние десятилетия серийные авиационные поршневые двигатели в нашей стране не производятся. Но относительно недавно наметилась тенденция к улучшению ситуации, и мы надеемся, что совместными усилиями малая авиация России возро­дится.

ЦИАМ ведет ряд научно-исследовательских работ в этом направлении. По НИР «Адаптация» на базе самого современного автомобильного двигателя проекта «Кортеж», производящегося в России, - а это крайне важно – в ЦИАМ разрабатывается авиационный поршневой двигатель АПД-500 мощностью 500 л.с. Он уже подтвердил работоспособность и достижимость целевых параметров при наземных испытаниях.

В следующем году мы планируем провести макети­рование АПД-500 и наземную отработку испытаний на борту, в составе силовой установки легкого многоце­левого самолета. По итогам НИР «Адаптация» может быть создан двигатель, который откроет путь к разра­ботке двухдвигательного 9-местного самолета местных воздушных линий.

Другие наши проекты – роторно-поршневой двигатель РПД-100Т для малоразмерных летательных аппаратов и РПД-150Т, разрабатываемый для замены иностранных двигателей типа Rotax.

Параллельно ведем работ у по созданию нормативно-технической базы и налаживаем коопе­рацию российских предприятий, которые могли бы стать серийными производителями деталей и узлов поршневых авиадвигателей, ведь в 1990-е–2000-е годы этот рыночный сегмент практически исчез как таковой. Хочу отметить, что ЦИАМ готов оказывать им научно-техническую поддержку.

- Ранее Вы упомянули разработку типораз­мерного ряда двигателей, можете рассказать об этом подробнее? Он рассчитан только на беспи­лотники или может использоваться и в пилотируемых летательных аппаратах?

- Подойдет как для беспилотной, так и для пилоти­руемой техники. Мы сформировали единый типораз­мерный ряд отечественных авиационных двигателей для использования в составе силовых установок летательных аппаратов различного назначения в диапазоне мощностей от 50 до 500 л.с. В него входят подлежащие разра­ботке поршневые, роторно-поршневые, электрические и малоразмерные газотурбинные двигатели. Такая линейка полностью закроет потребности отечественных разработ­чиков беспилотной и пилотируемой техники. Это соответ­ствует государственной политике импортозамещения и в перспективе позволит полностью отказаться от двигателей иностранного производства. Также это открывает возмож­ности ремоторизации уже эксплуатирующейся техники.

- Что дает авиационной промышленности научная деятельность вашего Института?

– Можно сказать, что мы даем ориентиры конструк­торам в работе. ЦИАМ обеспечивает научно-техническое сопровождение работы промышленных предприятий авиационной отрасли. Это научно-исследовательская работа и испытания для нужд авиастроения и смежных отраслей, выдача заключений о достаточности прове­денных мероприятий или работ для перехода к следу­ющему этапу, включая сертификацию.

ЦИАМ в цифрах 2.jpg

В проектах по созданию новой авиатехники мы тесно взаимодействуем с КБ. Фактически мы составляем руководства для конструкторов. Все НИР начинаются расчетами, а завершаются демонстратором, на котором проверяется работоспособность принятых технических решений.

Результаты изысканий, с одной стороны, остаются в виде опыта наших сотрудников, с другой– публикуются в научно-технических отчетах, статьях, сборниках. На основе этих новых знаний конструкторы принимают технические решения.

КБ доверяют нашему опыту, компетенциям и часто обращаются с заказами на расчетно-проектные и экспе­риментальные исследования, а также на составные части ОКР, результаты которых потом используют. И, конечно, мы не конкурируем с ними в оформлении конструк­торской документации и четком регламентировании принятых технических решений.

Знания мы передаем и посредством обучения. В 2018 году в ЦИАМ был создан Учебный центр. Одно из его направлений – дополнительное профессиональное образование, реализующееся в рамках повышения квалификации работников организаций ОПК. Обучение проводится в области компьютерного моделирования с использованием пакета программ «ЛОГОС» (разработчик – ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» Госкорпорации «Росатом»).

В рамках развития цифровизации различных отраслей промышленности нами разработана и реали­зуется линейка программ повышения квалификации по моделированию процессов газовой динамики, тепло­проводности и прочности в пакете программ ЛОГОС. Он предназначен для промышленного 3D моделирования физических процессов и решения инженерных задач в авиационной промышленности, атомной энергетике, ракетно-космической области.

У нас обучаются специалисты различных авиаци­онных предприятий (АО «ОДК», ПАО «ОАК», АО «НПК «Техмаш» ГК Ростех, АО «КТРВ», ГК Роскосмос и др.).

- Какой Вы видите свою миссию в качестве генерального директора ЦИАМ?

– По образованию я инженер, и для меня важно найти применение разработанному решению в конкретном объекте. Инженер всегда нацелен на то, чтобы его техни­ческая мысль получила осязаемое воплощение в «железе».

На самом деле причастность к созданию самых сложных наукоемких технических устройств очень сильно мотивирует. Ведь наш коллектив сегодня закла­дывает научно-инженерный фундамент тех летательных аппаратов, которые люди будут использовать в 2030-2050 годах. И в этом смысле моя миссия – сохра­нение позиций Института на передовом крае науки и техники, наследия предшественников, и наработка новых знаний, чтобы ЦИАМ продолжал оставаться для промышленности главным по науке, Центральным в области авиадвигателестроения.

DSC_2932.jpg

DSC_2468 (1).jpg

Редакция журнала «Крылья Родины» поздравляет Центральный институт авиационного моторо­строения имени П.И. Баранова с замечательным юбилеем и желает новых побед и свершений в науке авиадвигателестроения!

cover 11_12(2020).jpg

Источник: Национальный авиационный журнал "Крылья Родины" №11-12 за 2020 год
Поделиться
с друзьям