«Потребность в малых реактивных двигателях – гигантская»

Беспилотная авиация стремительно вошла в нашу жизнь в последние годы, став одним из самых быстрорастущих сегментов рынка летательных аппаратов. Вместе с тем, ее возможности в существующем формате БПЛА с винтом в качестве движителя серьезно ограничены.

Директор Института авиации, наземного транспорта и энергетики (ИАНТЭ) КНИТУ-КАИ, заведующий кафедрой Реактивных двигателей и энергетических установок Алексей Лопатин рассказал о новом типе двигателя, способном значительно увеличить скорость и в целом расширить возможности беспилотников – турбореактивном двигателе малой тяги. В университете изготовлен двигатель-демонстратор, показывавшийся на международной выставке АКТО-2018 в Казани и выставке в честь Дня машиностроителя в Набережных Челнах. В планах – существенное улучшение конструкции двигателя и выход не только на российские, но и на международные рынки.

- Расскажите, пожалуйста, о том, что представляет собой турбореактивный двигатель малой тяги и для каких целей он создавался?

- Прежде всего – зачем вообще это надо? В Советском Союзе достаточно неплохо была развита авиационная промышленность и двигателестроение. После 1991 года все стало постепенно приходить в упадок. В наши дни авиационная отрасль более-менее начала восстанавливаться, а вот с двигателестроением остались сложности. Если мы говорим о глобальном конкурентном гражданском двигателестроении, то серьезный игрок на рынке в Российской Федерации пока только один – «ОДК-Пермские моторы» с двигателем ПД-14, который сейчас проходит сертификацию, и перспективным двигателем ПД-35 для более тяжелого класса воздушных судов. Планируется возродить двигателестроение на заводе Кузнецова в Самаре, который в свое время делал двигатели для Ту-144. Это знаменитая «кузнецовская» серия двигателей НК, которые применяются в том числе и на тех изделиях, которые производятся у нас на Казанском авиазаводе. Но на данный момент наибольших успехов добились, конечно же, «Пермские моторы» во главе с генеральным конструктором Александром Александровичем Иноземцевым.

Но выясняется, что время не стоит на месте. Воздушные суда, которые сейчас широко применяются, становятся все более миниатюрными. Фактически речь идет о том, что беспилотная авиация будет развиваться во всем мире наибольшими темпами, даже более динамичными, чем традиционная гражданская авиация. Поэтому в ближайшем будущем, в диапазоне 5-10 лет, вполне возможно, что возникнут концерны, которые создают беспилотную технику и которые по капитализации вполне могут обогнать и «Боинг», и «Эрбас» – именно потому, что такого рода БПЛА сейчас широко входят в жизнь. Беспилотная техника находит все более широкое применение. Таким образом, мы выходим на тему двигателей малой тяги. Потому что если по созданию двигателей для больших лайнеров проведены достаточно большие работы и сейчас этот задел реализуется, то малые двигатели как никто не производил, так никто и не производит.

- Соответственно, на этом рынке меньше конкуренция?

- Конкуренции практически нет. Рынок есть, потребность в малых двигателях – гигантская, а во всем мире существует лишь несколько – от трех до пяти – компаний, занимающихся созданием и разработкой реактивных двигателей малой тяги.

- То есть именно беспилотные летательные аппараты (БПЛА) – основная область применения таких двигателей?

- Двигатели малой тяги применяются в двух серьезных «ипостасях». Первая – это собственно БПЛА, а вторая – это тоже БПЛА, но некоего «эстетического» характера – я говорю об авиамоделизме. Поэтому один из сегментов применения таких двигателей – это некое «приложение к игрушке», если говорить по-серьезному. Но традиционно у нас понимание, что беспилотник – это что-то с пропеллером. Теперь, если мы берем не беспилотник «для игры», а беспилотник «для дела» – каким делом он может заниматься? Разумеется, кроме того, что он может развозить пиццу, почту и тому подобное – то, что, несомненно, будет, но не сегодня. Основные задачи – это отслеживание технического состояния трубопроводов, элементы геологоразведки в сложных местностях, наблюдение за границами, наблюдение за миграциями животных, рыболовный промысел и так далее. Все это подразумевает гражданскую и не только гражданскую полезную нагрузку. Но если мы рассмотрим этот вопрос качественно, отдельно, то выяснится, что вся приборная база, которая сейчас есть, позволяет проводить аэрофотосъемку, регистрацию всех этих параметров со скоростью в несколько тысяч кадров в секунду. Так же обстоит дело и с замером параметров. То есть современная элементная база позволяет это делать очень быстро. Встает вопрос: получается, мы можем повысить эффективность работы этих установок? За счет чего? Тормозом здесь является использование в БПЛА винтовой тяги. Винт – это 160 км/ч максимум. И если мы говорим о скоростях 500-800 км/ч, то здесь мы обращаемся к турбореактивным двигателям малой тяги. И здесь на авансцену и выходят те самые двигатели, которые вначале воспринимались как игрушки, а сейчас являются весьма значимым элементом, как и любой двигатель летательного аппарата.

Иными словами, эффективность выполнения полетного задания сдерживает не авионика, не приборная база, а скорость движения летательного аппарата. Чем она выше, тем более эффективно будет использоваться летательный аппарат в воздухе.

Мы пришли к тому, что нужен новый принцип движения. Что приводит в движение винт? Это либо традиционный автомобильный поршневой двигатель, либо электродвигатель. И тот, и другой имеют явные недостатки. Что касается поршневого двигателя – это известные вещи, связанные с провалами в циклах работы и т. д. Электродвигатель – это необходимость возить с собой большие батареи. Тут мы сталкиваемся с эффективностью использования авиационной техники в принципе, потому что летательный аппарат зачастую может нести только себя и запас электроэнергии. Поэтому газотурбинный двигатель весьма перспективен в этой области. Даже несмотря на то, что он не самый энергоэффективный с точки зрения расхода топлива, за счет скорости, которую он способен обеспечивать летательному аппарату, этого топлива вполне достаточно, чтобы БПЛА смог выполнить полетное задание и вернуться обратно.

- Вы сказали, что в мире производством данного типа двигателей занимается всего несколько компаний. Что это за компании?

- Да, от трех до пяти компаний занимается реактивными двигателями малой тяги. В Германии есть крупная компания Jetcat, на Тайване – компания Ice Hammer, в Чехии – PBS Velká Bíteš. Есть их филиалы. То есть, на самом деле, рынок в этом сегменте достаточно пуст. Почему? В нашей стране, к сожалению, технических требований к малым двигателям не сформировано. Малые реактивные двигатели у нас практически никто не производил, и если мы идем по пути сертификации его как большого двигателя, то на это попросту жизни не хватит. Законодательная база в этом плане не развита. Но нас никто не ограничивает в беспилотных летательных аппаратах, которые не несут ответственность за человеческую жизнь. На БПЛА нет людей на борту, и мы имеем возможность использовать все ресурсы этого летательного аппарата, включая современные двигательные системы.

Интерес к данной теме возник достаточно давно, но у нас страна мегапроектов. Вы понимаете, что создание микротурбореактивного двигателя – это не мегапроект. Поэтому, наверное, и не было серьезного интереса. Для любого крупного КБ это не «системоформирующий» заказ. Для крупных КБ – к примеру, для КБ Люльки, ОДК «Сатурн», омского КБ, рыбинского КБ – это просто неинтересно по масштабу. Эти предприятия живут масштабами. Малых компаний в этой области у нас нет. Остаются университеты. Потому что единственные организации, которые обладают интеллектуальными возможностями для создания таких двигателей – это как раз университеты. В той или иной степени такими двигателями занимаются различные крупные российские технические университеты. Но именно мы вышли на тот этап, когда мы создали двигатель-демонстратор. То есть это еще не полноценный двигатель. Это двигатель, который представляет технологические возможности для работы по этой тематике. Он пока переутяжелен. То есть, двигатель, который мы представляли, должен будет иметь расчетную тягу 10 кгс и вес до 1,5 кг. Сейчас он переутяжелен, это делается специально, так как предстоят огневые испытания и мы просто-напросто страхуемся, чтобы не сжечь его сразу же. Потому что есть теплонагруженные элементы, такие как турбина, оси, опоры двигателя. Есть сопловой аппарат, выходное устройство, которое также высокотеплонагружено. И там еще нужно провести замеры. Кроме расчетной методики нужно еще подтвердить ее экспериментальными данными. И, разумеется, это двигатель будет кардинально, кратно облегчен.

- То есть пока это не предсерийный образец?

- Разумеется. Все-таки если мы говорим об авиации – любой: гражданской, военной, беспилотной – надо прежде всего понимать, что изделие, которое создает максимальную прибавочную стоимость – это самолет. А 60-70% самолета – с точки зрения технической сложности, управления и так далее – это двигатель. Поэтому разработка и создание двигателя – это важнейший момент. Самое главное – мы не идем по пути наших коллег из других стран или других городов, которые берут зарубежный аналог и пытаются его копировать. Я хочу подчеркнуть, что тот двигатель, который представлен, – это полностью разработка ученых – специалистов кафедры Реактивных двигателей и энергетических установок (РДиЭУ) КНИТУ-КАИ.

- Привлекались ли к созданию двигателя молодые специалисты и студенты?

- Конечно. Руководит работами по созданию двигателя доцент кафедры РДиЭУ Виталий Алексеевич Сыченков, с которым работают в основном молодые специалисты, студенты и аспиранты. Более того, в рамках одной кафедры такой двигатель создать тяжело. И на первом этапе мы привлекали сотрудников кафедры Теплотехники и энергетического машиностроения (ТиЭМ), доцентов Адольфа Степановича Лиманского и Андрея Владиславовича Ильинкова – по расчету турбины и компрессора. Планируется, что в рамках внутриуниверситетской кооперации на следующем этапе будет привлечена кафедра Радиоэлектроники и информационно-измерительной техники (РИИТ) профессора Юрия Кирилловича Евдокимова. Одной из проблем этих двигателей является их малый межремонтный ресурс – до 50 часов. Двигатели компактные, имеют частоту вращения до 150-160 тысяч оборотов в минуту. При таких оборотах большую нагрузку несут опоры, подшипники. Фактически это расходный материал. Наша задача, кроме тех «ноу-хау», которые используются в двигателе сейчас, кратно увеличить его ресурс за счет установки такой системы, как магнитный подвес ротора двигателя. Это как раз то, чем занимается профессор Евдокимов.

Ну, и предстоит важнейший   финальный этап, когда мы будем заниматься цифровой моделью. Этап получения цифровой модели в современном мире является одним из основных моментов в разработке: «Если у вас нет цифровой модели, то вашего изделия не существует». Поэтому цифровая модель должна быть обязательно и она у нас будет, будет выполнена в современных программных комплексах.

Также стоит отметить, что мы планируем создать не один двигатель, а целую линейку двигателей – тягой 15, 25 и 30 кгс. Это перекрывает – и мы обсуждали это сегодня с индийской делегацией – большинство потребностей беспилотной техники. Самое главное, беспилотники используются в оборонных целях, в целях разведки, целеуказания и так далее, и этот момент очень важен. Беспилотник несет очень дороге оборудование. Скорость – помимо эффективности полетного задания, о котором мы уже упоминали, – это еще и возможность выживания летательного аппарата в сложных условиях.

- Меньше вероятность, что собьют.

- Конечно. Оборудование, которое стоит десятки, а иногда и сотни тысяч долларов, может проработать всего 10-15 минут и быть потеряно. Во-первых, это неприемлемо с финансовой точки зрения, а во-вторых, это неприемлемо с точки зрения обороноспособности страны.

- Есть ли в планах дальнейшее совершенствование конструкции двигателя?

Мое мнение, что задача университета – разрабатывать современные технологии, заниматься инжинирингом и воплощать новые технологии в жизнь. А производство – это не задача университета по большому счету. Здесь наш интерес в чем? Мы хотим заложить в двигатель технологии «Пятого технологического уклада». В частности, это аддитивные технологии. Совместно с кафедрой Лазерных технологий на этапе предсерийных испытаний мы планируем «вырастить» на основе аддитивных технологий нетеплонагруженные элементы, в том числе диск компрессора. Пока начнем с этого элемента, а дальше, возможно, будем двигаться в сторону высокотеплонагруженных элементов, таких как диск турбины, но там возможно использование только хромоникелевых сплавов…

- То есть от простого к сложному…

- Да. Дело в том, что там очень высокие температуры. Но чем хороши аддитивные технологии? Для каждого изделия есть такое понятие, как нормочас. То есть за сколько нормочасов работник способен сделать ту или иную конструкцию. Чем меньше нормочасы, тем меньше операций и тем меньше затраты. Современное развитие аддитивных технологий позволяет –в том числе в нашем университете – изготовить диски компрессора и даже турбины, которые не нуждаются в последующей тонкой механической обработке. Соответственно, мы экономим огромные финансовые ресурсы в серийном производстве. При тех же самых технических характеристиках это приведет к резкому удешевлению конструкции двигателя.

На самом деле, здесь абсолютно прагматичная идеология. Если мы сейчас не заложим технологии пятого технологического уклада, мы не сможем создать продукт, который будет востребован глобально.

- Где может быть развернуто серийное производство двигателя?

- Очень серьезно обсуждаются возможности локализации производства и российскими, и зарубежными партнерами – но на территории РФ. Дело в том, что к сожалению или к счастью тот технологический задел, который есть у нас в стране, интеллектуальный уровень позволяют нам с уверенностью говорить, что мы это можем сделать. На самом деле сделать авиационный двигатель могут лишь немногие страны. Существуют наземные энергетические установки, которые тоже в основе своей используют газотурбинный двигатель, но уровень технологий и ресурсов, заложенный в них, кратно меньше, чем в авиационных двигателях. И поэтому те страны и организации, которые могут создать авиационные двигатели, все остальное смогут создать точно. Мы берем по верхней планке. Плюс ко всему, те потребности, которые сейчас имеются, позволяют нам говорить, что мы можем быть конкурентными в мире. Мы не пытаемся создать двигатель, который будет интересен только здесь, в России. Это двигатель для глобального рынка и глобальной конкуренции.

Ссылка на оригинал статьи