Пермские двигатели определяют направление авиастроения в России
Поводом для написания этого материала послужило недавнее событие — 1 ноября 2023 года был проведен успешный испытательный полет дальнемагистрального широкофюзеляжного самолета Ил-96-400М. Полет длился 26 минут, он прошел в штатном режиме на высотах до 2000 м и при скоростях до 390 км/час. В ходе испытания были проверены устойчивость и управляемость самолета, работоспособность систем, работа двигателей и радиотехнических средств захода на посадку.
Самолет Ил-96-400М является развитием лайнера Ил-96-300. У 400-го фюзеляж на 9,35 м длиннее, самолет рассчитан на перевозку большего количества пассажиров — до 370 — по сравнению с Ил-96-300. В салоне самолета кресел пока нет, его ожидает еще ряд испытаний и сертификация.
Первый полет самолета Ил-96-400М. Фото ОАК.
Когда Ил-96-400М рулил по аэродрому, то на двигателях можно было увидеть надпись: «ПС-90А1». Четыре двигателя ПС-90А1 тягой по 17 400 кгс каждый — неотъемлемая часть силовой установки самолета. Двигатели ПС-90А1 для этого самолета производятся в Перми. Версия двигателя ПС-90А1 прошла сертификацию в 2007 году. Двигатель будет выпускаться серийно в 2027 году.
Другое детище Объединенной авиастроительной корпорации (ОАК) «Пермские двигатели», ПД-14 — первый российский турбовентиляторный реактивный двухконтурный двигатель (ТВРДД), — уже выпускается с весны 2023 года серийно. Этот момент конструкторы назвали технологической революцией. Двигатели ПД-14 уже стоят и работают на самолете МС-21.
Двигатель ПД-14 Фото ПАО «Яковлев»
Для коротких местных линий и легкой транспортно-десантной авиации планируется ПД-8, для средних линий — вышеназванный ПД-14, а перспективным считается двигатель ПД-35 — для дальнемагистральной авиации.
Новый пассажирский самолет МС-21-310 на 300 пассажиров будет оснащен модернизированным двигателем ПД-14М (тяга примерно 14 тонн, диаметр вентилятора — 1900 мм), на самолет Sukhoi Superjet NEW (импортозамещенная модификация самолета Sukhoi Superjet 100. — С. Е. ) будет установлен ПД-8 (тяга около восьми тонн, диаметр вентилятора — 1220 мм). ПД-35 с ожидаемой тягой до 38 тонн и диаметром вентилятора 3100 мм планируется для российско-китайского лайнера CR-929 и, может быть, для Ил-96-400М. Все три двигателя представляют собой своего рода линейку, на которой разработка одного двигателя помогает разработке другого. Такой технологии нигде в мире еще не наблюдалось.
Сами по себе все эти двигатели не новы. Просто они появились в зачаточном состоянии в «смутное» время, когда не было даже станков для производства их элементов, да и материалов не хватало.
Сборка самолетов SSJ-NEW для ресурсных испытаний в ЦАГИ Фото Ростех
Сейчас общепризнано, что разработать двигатель для лайнера намного труднее, чем спроектировать сам лайнер. Наличие собственного авиационного двигателестроения является необходимым минимумом для любой суверенной державы. Именно авиация кажется западным противникам России наиболее чувствительной отраслью, развалив которую можно разрушить фундамент российской экономики.
Современная мировая авиация — это клуб четырех стран: России, США, Великобритании и Франции. Китай все еще не дотягивает до крупных авиационных разработок.
Поэтому состояние авиационного двигателестроения определяет уровень научно-технического прогресса в стране. Срок создания современного двигателя — 20 — 25 лет. Чем совершенней техника, тем труднее дается каждый ее шаг вперед.
К двигателю гражданского самолета предъявляются повышенные требования. Перечислим наиболее важные из них: надежная работа, стабильность полетных режимов, минимальный расход топлива (экономичность), минимальный выброс загрязняющих веществ в атмосферу, низкая шумность. Всего требований более 20.
Разработчики современных двигателей добиваются реализации этих требований благодаря двухконтурности ТРДД. Первые разработки ТРДД начал в XIX веке русский инженер Фёдор Романович Гешвенд (1839 — 1890). Исследования Гешвенда продолжил Архип Михайлович Люлька (1908 — 1984). В 1939 году Архип Люлька разработал схему ТРДД, которая и используется в современном моторостроении.
ТРДД оттеснил своего предшественника ТРД прежде всего благодаря высокой экономичности (и, как следствие, — большей дальности), что как раз важно для гражданской авиации.
Исследования по двухконтурности начались в 1950-х годах, тогда для повышения экономичности пробовали снижать подачу топлива в двигатель. Но чем меньше топлива подавалось, тем меньше была температура газа и его энергия. Скорость потока воздуха (или газа после камеры сгорания) становилась ниже, и тяга уменьшалась.
Однако уменьшение тяги, полученное за счет падения скорости истечения газовоздушного потока из двигателя, как оказалось, можно компенсировать увеличением массы потока воздуха, идущего через внешний (второй) контур. Суммарная масса воздуха и газов компенсировала снижение тяги. Получалось, что при неизменной подаче топлива тяга увеличивалась. Из двигателя вылетало больше газовоздушной смеси, и тяга возрастала с меньшим удельным расходом топлива. Кроме того, применение двух контуров уменьшало шумность двигателя, так как внешний контур гасил шумы, исходящие от внутреннего контура.
Все три двигателя — ПД-8, ПД-14 и ПД-35 — построены по одинаковой схеме: у них имеются две газовые турбины, высокого давления и низкого давления, каждая из которых крутит свой приводной вал. Вал турбины высокого давления выполнен в виде трубы, внутри которой проходит вал турбины низкого давления. Турбина низкого давления расположена после турбины высокого давления.
Турбина высокого давления вращает компрессор высокого давления, нагнетающий воздух в камеру сгорания. Создание тяги выполняет турбина низкого давления. Именно она крутит лопасти вентилятора, обеспечивающего более 80 % тяги двигателя, остальную тягу создает газовоздушная смесь, прошедшая через турбины и вылетающая в сопло.
Минимальные знания о современном двигателе предполагают уяснение понятия — степень двухконтурности. Она выражается отношением количества воздуха, проходящего через внешний контур, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Степень двухконтурности может быть в современных двигателях более десяти.
Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) — вентилятором.
В двигателях серии «ПД» турбина низкого давления, компрессор низкого давления и вентилятор считаются «холодной» частью двигателя.
Но важнейшей частью двигателя ТВРДД является его «горячая» часть — газогенератор. Он является ядром двигателя. В него входят компрессор высокого давления, камера сгорания и турбина высокого давления. Задача газогенератора — создать как можно больше горячих газов для вращения турбины низкого давления, которая крутит вентилятор и двигает в конечном счете самолет. Газогенератор определяет экономичность, коэффициент полезного действия, мощность и силу тяги двигателя.
Газогенераторы уже работают в ПД-14, установленных на МС-21. Если использовать наработки по газогенератору ПД-14, то сроки изготовления ПД-8 будут сокращены и удешевлены.
Для ПД-35 уже два года назад был выполнен газогенератор, однако он требует дополнительных исследований. Уже известно, что в двигателе ПД-35 планируется применить ноу-хау — композитные лопатки вентилятора. Применение полой титановой лопатки сокращает массу вентилятора на 30 %, а использование композитной лопатки даст экономию массы еще на 30 %.
Двигатель ПД-8 технически скомпонован довольно просто: взята «холодная» часть турбовентиляторного двигателя SaM-146, которая производится предприятием ОДК-Сатурн в Рыбинске, и соединена с газогенератором от двигателя ПД-14. Газогенератор SaM-146 (эту часть двигателя делали французы), таким образом, изымается из ПД-8. Нельзя не сказать, что к «горячей» части двигателя SaM-146 в ходе эксплуатации было много нареканий.
Показатель экономичности разработчики всячески скрывают, так как после разработки двигателя он оказывается отличным от ожидаемого. Удалось найти, что удельный расход топлива на крейсерском режиме у ПС-90А1 составляет 0,595кг/кгс.ч, у ПД-14 — 0,53 кг/кгс.ч, а у французского SaМ-146 — 0,63 кг/кгс.ч.
По мнению председателя Комитета Госдумы по промышленности и торговле Владимира Гутенёва, процесс замены иностранных самолетов отечественными машинами завершится к 2030 году.
Сергей Елисеев.