Одной из самых ожидаемых новинок авиасалона МАКС-2021 стал гражданский среднемагистральный самолет МС-21-310 с новейшими отечественными двигателями ПД-14. Машина с новыми моторами впервые участвует в летной программе авиасалона.
Выполнение программы по созданию двигателя ПД-14 вернуло нашу страну в высшую лигу мировой авиации. В настоящее время специалисты Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК, входит в госкорпорацию «Ростех») активно работают над следующим двигателем этой серии — перспективным ПД-35 с тягой в 35 т для широкофюзеляжных самолетов. О том, как создавался ПД-14, какие трудности пришлось преодолеть, какие уникальные технологии применить, а также о перспективном ПД-35 рассказал в интервью ТАСС исполнительный директор АО «ОДК-Авиадвигатель» Александр Иноземцев.
«Двигатель, который будет конкурировать с лучшими западными аналогами»
По словам Иноземцева, изначально Объединенная авиастроительная корпорация (ОАК) хотела покупать двигатели для самолета МС-21 у западных производителей, считая, что это значительно снизит риски выхода нового продукта — самолета МС-21 — на рынок. «Самое сложное было доказать, что мы можем сделать двигатель, который на равных будет конкурировать с лучшими западными аналогами.
Переговоры с ОАК вела только что созданная в марте 2008 года ОДК, доказывая, что без отечественного двигателестроения Россия никогда не сможет вернуть себе звание мировой авиастроительной державы. ОДК в этом споре поддержало Министерство промышленности и торговли РФ», — отметил он.
Иноземцев подчеркнул, что основную роль в положительном решении вопроса создания собственного двигателя сыграли Виктор Христенко, Юрий Слюсарь, Андрей Богинский, Александр Ивах, Александр Пономарев. Большую помощь оказали руководители ФГУП «ЦИАМ» — Владимир Скибин, Александр Ланшин и ФГУП «ВИАМ» — Евгений Каблов.
Консолидированная поддержка ОДК со стороны отраслевых институтов и Минпромторга РФ позволила в конце 2008 года начать финансирование проекта ПД-14.
Затем началась работа над самим изделием, где тоже пришлось столкнуться и преодолеть немало трудностей. Так, по словам Иноземцева, были затруднения с изготовлением материальной части. «Когда мы начинали проект в 2008 году и формировали кооперацию предприятий, все заводы были почти без работы и стремились максимально увеличить долю своего участия в проекте. А потом у всех появился гособоронзаказ, все сроки поползли вправо. Поэтому своевременное изготовление материальной части стало серьезной проблемой», — поделился воспоминаниями генеральный конструктор.
Много внимания и сил отнимала организация работ по проекту, разработка и реализация концепции программно-проектного управления проектом, прохождение первых контрольных рубежей. «Мы были первыми в ОДК, и приходилось самим разрабатывать методологию программно-проектного управления и реализовывать ее на практике», — подчеркнул он.
Проект по созданию ПД-14 делился на определенные стадии, характеризующиеся законченным этапом работ и необходимостью принятия решения о начале финансирования следующего, более дорогостоящего этапа. На каждом контрольном рубеже внимательно рассматривалось состояние работ по проекту по нескольким ключевым критериям, главный из которых — техническая реализуемость и экономическая эффективность проекта, оценка экономических рисков реализации проекта.
Проект ПД-14 был максимально открыт для обсуждения на всех ключевых этапах. Для дискуссии привлекались самые квалифицированные, самые известные специалисты отрасли: представители предприятий ОДК, отраслевых институтов, ОАК, Минпромторга РФ и даже авиакомпаний. Привлечение широкого числа экспертов позволяло выявлять и вовремя парировать дополнительные, неявные риски. Такая открытость позволила создать благоприятный информационный фон вокруг проекта, когда все специалисты знали реальное состояние работ по проекту и оказывали посильную помощь в его реализации
Александр Иноземцев — генеральный конструктор «ОДК-Авиадвигатель»
Ключевые технологи ПД-14
По признанию Иноземцева, сложными оказались практически все основные этапы созданию ПД-14. Одним из новшеств проекта ПД-14 стало создание рабочих групп по ключевым направлениям. Помимо конструкторов «ОДК-Авиадвигатель» в эти группы привлекались ведущие специалисты предприятий ОДК, отраслевых институтов и академической науки.
Двигатель-демонстратор ПД-14 был собран в июне 2012 года. Ключевым риском этого этапа стала технология изготовления пустотелой титановой рабочей лопатки вентилятора методом диффузионной сварки и сверхпластической формовки. В создании и освоении этой технологии кроме специалистов АО «ОДК-Авиадвигатель» большую роль сыграли специалисты ФГБУН «Институт проблем сверхпластичности металлов» Российской академии наук, АО «ОДК-УМПО», ФГУП «ЦИАМ», ФГУП «ВИАМ». «Без этой технологии двигатель ПД-14 не состоялся бы», — подчеркнул Иноземцев.
Серьезным вопросом также стала разработка турбины низкого давления. Она была создана совместными усилиями уфимского ОКБ «Мотор» и пермских конструкторов. «Опуская подробности, скажу, что при разработке турбины низкого давления спорили две идеологии: делать турбину большего диаметра с меньшим количеством ступеней или, наоборот, меньшего диаметра с большим количеством ступеней. Победила вторая, более консервативная идеология, обеспечившая высокий КПД турбины на крейсерском режиме полета», — рассказал генконструктор.
В проекте ПД-14 предприятие «ОДК-Авиадвигатель» впервые в практике отечественного двигателестроения разрабатывало не только сам двигатель, но и мотогондолу. Специалисты пермского конструкторского бюро отказались от общепринятого в мире типа реверсивного устройства распашного типа, когда мотогондола состоит из двух С-образных каналов, которые, как крылья бабочки, распахиваются и открывают доступ к двигателю.
Наши специалисты предложили концепцию сдвигающегося реверса. При этом не разрезаются оба канала посредине, а делаются две обечайки: наружная обечайка, в которую встроено реверсивное устройство, и внутренняя обечайка, которая обеспечивает обтекание воздуха над газогенератором. Новая концепция значительно увеличила жесткость узлов мотогондолы, в первую очередь реверсивного устройства, и значительно сэкономила массу двигательной установки
Александр Иноземцев
генеральный конструктор «ОДК-Авиадвигатель»
Другой особенностью реверсивного устройства, которую специалисты «ОДК-Авиадвигатель» применили одни из первых в мире и точно первые в России, стало использование электрического привода для реверсивного устройства ПД-14. Уникальную систему электропривода разработали отечественные фирмы ООО «Электропривод» и ГК «Диаконт».
Для летных испытаний нового двигателя была восстановлена летающая лаборатория на базе Ил-76ЛЛ, которая позволяет оценивать около 2 тыс. параметров двигателя в процессе полета. Первый вылет Ил-76ЛЛ с двигателем ПД-14 состоялся 30 ноября 2015 года на аэродроме ЛИИ им М.М. Громова. «Примерно треть из этих 2 тыс. параметров мы наблюдали онлайн на базе в Жуковском и в Перми. Это первая в России летная лаборатория с такими возможностями», — отметил генеральный конструктор.
С сертификацией двигателя тоже было все непросто. Когда были развернуты работы по проведению сертификационных испытаний ПД-14, вышло постановление правительства России о перераспределении полномочий по сертификации авиационной техники — от Межгосударственного авиационного комитета (МАК) в Росавиацию. Правительственный маневр примерно на два года задержал все работы по сертификации ПД-14. Особенно работы с EASA. Но в конечном итоге все испытания были успешно проведены, и в октябре 2018 года ПД-14 получил сертификат типа.
Перспективный двигатель прошел сложнейшие сертификационные испытания, в первую очередь по обрыву рабочей лопатки вентилятора, в ходе которых была подтверждена локализация повреждений и отсутствие опасных последствий, связанных с двигателем. Для этого испытания был существенно доработан стенд «ОДК-Авиадвигатель». Специалисты пермского КБ разработали уникальную методику подрыва пирозаряда, обеспечивающего гарантированное отделение рабочей лопатки вентилятора от ротора на заданном режиме работы двигателя и не приводящего к дополнительному негативному воздействию на двигатель.
Успешно прошло сложное испытание по обрыву вала турбины низкого давления, доказавшее отсутствие опасных последствий для двигателя и самолета.
«Подобные испытания в «ОДК-Авиадвигатель» не проводились почти 30 лет», — рассказал Иноземцев, добавив, что сертификационные испытания проходили не только в Перми, но и в Москве на стендах ЦИАМ в Тураево, в Жуковском в ЛИИ им. М.М. Громова, в Рыбинске на открытом стенде «ОДК-Сатурн» в Палуево.
Транзит технологий в двигатель ПД-35
Логическим продолжением двигателя ПД-14 стала работа коллектива «ОДК-Авиадвигатель» над двухконтурным турбореактивным двигателем сверхбольшой тяги ПД-35, который предназначен для установки на перспективные широкофюзеляжные самолеты.
Опыт, полученный при разработке двигателя для самолета МС-21, планируется в полной мере применить в новом проекте. «Из освоенных на ПД-14 технологий в коммерческом двигателе ПД-35 будут применены технологии изготовления лопаток турбин, элементов камеры сгорания, звукопоглощающих конструкций, новые методы ремонтов и диагностики, кроме этого планируется использовать технологии, увеличивающие прочность и ресурс двигателей», — рассказал Иноземцев.
Он также уточнил, что принципиально новыми разработками для перспективного двигателя ПД-35 будут рабочая лопатка вентилятора и его корпус, изготовленные из полимерных композиционных материалов, позволяющих существенно снизить массу двигателя. Также технологии сварного ротора, снижающие массу и повышающие надежность двигателя. Кроме того, в двигателе планируется использовать малоэмиссионную камеру сгорания, отвечающую перспективным экологическим требованиям вплоть до 2030 года.
«В ПД-35 также будет комплексная система диагностики с возможностью передачи данных во время полета в удаленные центры диагностики», — отметил генконструктор.
Конечно же, в перспективном двигателе ПД-35 планируется использовать часть деталей, изготовленных методом аддитивных технологий. Сегодня аддитивные технологии — в фазе бурного роста. Оборот мирового рынка аддитивных технологий увеличивается в среднем более чем на 20% в год. Такая интенсивность объясняется их преимуществами по сравнению с традиционными формообразующими технологиями: возможность изготовления деталей практически любой сложности и сокращение сроков разработки и изготовления деталей.
Для того чтобы снизить вес авиационных двигателей и соответствовать высоким требованиям, предъявляемым к конструкции двигателя, изготавливаемые детали имеют максимально тонкие стенки и сложный профиль геометрии элементов конструкции. Чтобы производить аддитивные детали, специалисты «ОДК-Авидвигатель» активно работают в направлении импортозамещения материалов, а также топологической оптимизации самих конструкций, что позволит снизить массу аддитивных деталей на 20%.
«Действительно, 3D-технологии обеспечили новые возможности для развития двигателестроения и машиностроения в целом. Но надо понимать, что все новые технологии по формообразованию заготовок (литье, ковка, прокат и так далее) — это не замена традиционных, а дополнение к существующим технологиям. Через определенный промежуток времени аддитивные технологии не заменят классические, а просто займут свою нишу, которая будет эволюционировать и увеличиваться с их освоением и внедрением», — считает Иноземцев.
По его словам, на сегодняшний день широкое внедрение аддитивных технологий в отечественной промышленности сдерживается отсутствием отечественного оборудования, серийного производства металлических и полимерных порошков, а также высокой себестоимостью материалов для аддитивных технологий.
Авиадвигатели шестого поколения
В настоящее время в мировом производстве двигателей для гражданских узкофюзеляжных и широкофюзеляжных самолетов доминируют двигатели пятого поколения. Первым таким российским двигателем для гражданской авиации стал ПД-14. По словам Иноземцева, технологии, которые будут применены в перспективном двигателе ПД-35, позволят отнести его к промежуточному поколению двигателей — между пятым и шестым, к так называемому поколению 5+.
По сравнению с двигателем ПД-14 температура газа перед турбиной повышена примерно на 100 °С, степень сжатия и степень двухконтурности увеличены примерно на 25%. В рамках программы ПД-35 разрабатываются технологии, которые вполне могут быть отнесены к технологиям двигателей шестого поколения: высокотемпературные керамические композиционные материалы, интеллектуальные САУ (система автоматического управления) и система диагностики, технологии более электрического двигателя
Александр Иноземцев
генеральный конструктор «ОДК-Авиадвигатель»
Первый российский двигатель пятого поколения для гражданской авиации ПД-14, класс тяги 12.5 – 14 тс, предназначенный для перспективных магистральных самолетов семейства МС-21, был сертифицирован в октябре 2018 года, самолет МС-21-310 с двигателями ПД-14 совершил первый полет 15 декабря 2020 года. В настоящий момент двигатель проходит процесс валидации сертификата в ЕАSA.
Вместе с тем гражданские двигатели шестого поколения предполагают использование еще более высоких параметров цикла: температуры газа перед турбиной, приближающейся к стехиометрической, ультравысоких степени двухконтурности и степени сжатия, применения редуктора в приводе вентилятора либо схемы с «открытым ротором», широкого применения композиционных материалов, высокой степени интеграции с планером и самолетными системами. Важной особенностью этих двигателей, вероятно, станут более высокие экологические стандарты, предполагающие использование более экологичных типов топлива, снижающих или обнуляющих выбросы парниковых газов: синтетического жидкого топлива с повышенным содержанием водорода, производимого из сырья биологического происхождения, жидкого водорода. В ОДК запланированы поисковые НИР по исследованиям в указанных направлениях и разработке соответствующих базовых технологий.
«Разработки в области боевых двигателей также ведутся, однако это не предмет для публикаций в открытой печати. Таким образом, можно констатировать, что движение к двигателям шестого поколения уже начато, необходимо его интенсифицировать в сотрудничестве с самолетными конструкторскими бюро и отраслевыми научными центрами», — отметил Иноземцев.