CC BY
159Создание перспективных авиационных двигателей - основа успешного развития
отечественного авиастроения Creation of advanced aircraft engines — the basis for the successful development of
domestic aircraft
МОСКОВСКИЙ ■p ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
УДК 331.1 DOI 10.24412/2413-046Х-2021-10125 Тихонов Алексей Иванович,
заведующий кафедрой «Управление персоналом», к.т.н., доцент, Московский авиационный институт, e-mail: [email protected] Tikhonov Aleksey I.,
Head of the Department «Human Resource Management», Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow Aviation Institute, Moscow
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы создания и промышленного производства семейства перспективных авиационных двигателей для современных самолетов. Всего четыре страны в мире (Россия, США, Великобритания и Франция) могут полностью самостоятельно разрабатывать и выпускать современные турбореактивные авиадвигатели. Создание в России нового газогенератора, а на его основе — авиационного турбореактивного двигателя пятого поколения ПД-14 служит доказательством того, что наша страна уверенно является лидером мирового авиастроения. Этот перспективный авиадвигатель является родоначальником целого семейства новых силовых установок, которые могут быть востребованы для самолетов разных классов и назначений. Summary. The article deals with the creation and industrial production of a family of promising aircraft engines for modern aircraft. Only four countries in the world (Russia, USA, Great Britain and France) can completely independently develop and produce modern turbojet aircraft engines. The creation in Russia of a new gas generator, and on its basis — the fifth generation aircraft turbojet engine PD-14 serves as proof that our country is confidently the leader of the world aircraft industry. This promising aircraft engine is the ancestor of a whole family of new power plants that can be in demand for aircraft of various classes and purposes.
Ключевые слова: авиационные двигатели, авиадвигателестроение, самолеты, производство, конкурентоустойчивость предприятий.
Keywords: aircraft engines, aircraft engine building, aircraft, production, competitiveness of enterprises.
Одной из самых инновационных отраслей российской промышленности является такое высокотехнологичное направление машиностроения, как авиационное двигателестроение. Российская Федерация, и еще только три страны мира, владеет полным спектром технологий разработки и производства современных авиационных турбореактивных двигателей. Наша страна является крупнейшим производителем современных двигателей для летательных аппаратов различных классов и назначений: газотурбинных, внутреннего сгорания, ракетных, ионно-плазменных и электрореактивных двигателей. На многочисленных предприятиях крупнейшей российской компанией в области двигателестроения, «Объединённой двигателестроительной корпорации» (ОДК), производится широкий спектр разнообразных двигателей для основных отраслей экономики: производства колесной и гусеничной автомобильной и тракторной техники, авиационной индустрии, судостроения, железнодорожной промышленности, электроэнергетики, атомной отрасли, ракетно-космической техники, оборонно-промышленного комплекса. Госкорпорация РОСТЕХ, в которую входит ОДК, консолидирует более 80 % активов в сфере российского газотурбинного двигателестроения, а Госкорпорация РОСКОСМОС контролирует основные активы в области ракетного двигателестроения.
В Таблице 1 представлены наиболее крупные и известные двигателестроительные компании, которые работают в составе Объединённой двигателестроительной корпорации (ОДК).
Таблица 1
Двигателестронтельные компании в составе Объединённой д в игател естр оите л ьиой корпорации
№ Название Компании Функционал Компании
1 АО «НПО Сатурн» Создание н производство авиационных двигателей (АЛ-31Ф, АЛ-41Ф, АЛ-55, РДЗб-51)
2 АО «Климов» Создание и производство двигателей для самолётов и вертолётов (РД-33= РД-93= РД-133)
3 АО «НПП Мотор» (г. Уфа) Разработка авиационных двигателей
4 АО «Кузнецов» Создание и производство авиационных и ракетных двигателей (НК-б: НК-8, НК-22, НК-25: НК-32= НК-34. НК-56. НК-Зб. НК-ЙЗ. НК-93. нк-144= НК-301)
5 АО «Пермский моторный завод» Создание и производство авиационных двигателей для гра^кданской авиации
6 АО «Московское машиностроительное предприятие имени В. В. Чернышёва» Создание и производство авиационных двигателей
7 АО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» Создание и производство газотурбинных двигателей для боевой авиации
8 АО «Авиадвигатель» Создание и производство газотурбинных двигателей для авиации (Д-20. Д-30; Д-30КУ, Д-30КУ-154. Д-ЗОФб. ПС-90А. ПД-14, ПД-35, ПС-91
9 ОДК — Газовые турбины (город Рыбинск) Создание и производство авиационных двигателей
10 АО «Стар» Создание и производство систем автоматического управления двигателей самолётов и промышленных двигателей
11 НПЦ газотурбостроения «Салют» Создание и производство авиационных двигателей
12 Тюменские моторостроители Создание и производство ракетных двигателей
13 Казанское моторостроительное производственное объединение Создание и производство газотурбинных двигателей и газоперекачивающих агрегатов
14 ЗМКБ «Прогресс» Создание и производство авиационных двигателей (АИ-22, АИ-25: АИ-28= АИ-222, А11-222-2х Д-1ВТ, ДВ-2. РД-35. Д-Зб. Д-436)
15 ОАО «ОМКБ» Создание и производство авиационных двигателей (ТРДД-5СГ)
16 ОАО АМНТК «Союз» Создание и производство авиационных и ракетных двигателей (РД-1700. Р7РВ-300.. Р95-ЗШУ)
Координацию деятельности многочисленных предприятий осуществляет Международная ассоциация Союз авиационного двигателестроения (АССАД). На регулярной основе проводятся Международные Форумы авиационного двигателестроения (МФД), на которых выставляются самые современные разработки в области мирового авиадвигателестроения.
Создание авиационных моторов собственного производства должно позволить отечественной авиапромышленности выйти на совершенно новый качественный уровень. Первую в новой России попытку создать конкурентоспособный продукт предприняла компания «Гражданские самолеты Сухого» со своим региональным самолетом «SUKHOI — Superjet 100». Машина, в целом, получилась хорошая, но вот только двигатели на нее были установлены совместные российско-французские SaM-146, производства компании Snecma и российского НПО «Сатурн». Однако самая сложная и дорогая часть турбовентиляторного двигателя — газогенератор (компрессоры, камера сгорания, турбина высокого давления) — это авторское решение от французского партнера, которое он держит в строжайшей тайне, и делится с нами никак не желает. составляющие порядка трети цены самолета. И лишь «холодную» часть дорабатывают наши двигателисты.
Таким масштабным и амбициозным проектом создания первого отечественного двигателя нового поколения занимались, фактически, все ведущие двигателестроительные предприятия страны: АО «ОДК-Пермские моторы», ПАО «ОДК-Сатурн», ПАО «ОДК-УМПО», ПК «Салют» АО «ОДК», АО «Металлист-Самара», АО «ОДК-СТАР», АО «ПЗ «Машиностроитель», ПАО «ВАСО», АО «ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина» и др. Это была очень сложная комплексная задача не только разработки современного отечественного конкурентоспособного двигателя, но и техническое переоснащение опытного и серийного производства, внедрение ключевых технологий в большинство высокопроизводительных технологических процессов. Хедлайнерами проекта стала пермское АО «Авиадвигатель» — конструкторское бюро по разработке газотурбинных двигателей для авиации, а также промышленных газотурбинных установок и электростанций на базе авиационных технологий, где за 80-летнюю историю было разработано около восьмидесяти типов разных двигателей, из которых более половины пошли в серию. За все время, моторостроительными заводами нашей страны было изготовлено почти девяносто тысяч авиационных двигателей разработки пермского Конструкторского Бюро. В настоящее время, пермские двигатели установлены на все современные отечественные пассажирские и грузовые самолеты: Ту-204 и Ту-214, Ил-96-300 и Ил-96-400, Ил-76ТД, Ил-76МД, Ил-76-90/А, Ил-78М-90А.
Еще в 2008 году Правительство РФ выделило около 15 млрд. руб. для работы над новым флагманом - авиационным двигателем ПД-14 (перспективным или пермским двигателем) с тягой 14 тонн, предназначенным для среднемагистрального самолета МС-21. Первый прототип газогенератора 100ГГ-01 для этого авиадвигателя совершил первые обороты на земле в 2010 году, в первый комплектный демонстратор авиадвигателя впервые заработал в 2012 году. Именно газогенератор (компрессоры, камера сгорания, турбина высокого давления) считается самым сложным, высоконагруженным и дорогим узлом любого авиационного двигателя, определяющим его конкурентоспособность и стоимость. Поэтому материалы, технологии проектирования, испытаний, доводки и производства газогенератора не должны быть импортированы из-за рубежа, потому что они являются «ноу-хау» каждой страны, располагающей такими высокими технологиями. Понимая это, наши отечественные разработчики ещё на начальных этапах проектирования авиадвигателя ПД-14 сделали ставку на российские материалы и технологии, предложенные высококвалифицированными специалистами Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ). В рамках государственной программы импортозамещения для двигателя ПД-14 было запущено серийное производство решеток реверсивных устройств из отечественного углеродного волокна, вместо японского. Доля импортных комплектующих составляет всего около пяти процентов, по официальным данным Объединенной авиастроительной корпорации (ОАК).
Для обеспечения испытаний всех узлов авиадвигателя, газогенератора и полноразмерного двигателя были созданы современные испытательные установки, стенды и лаборатории, в том числе: установка испытаний модели вентилятора и камеры низкого давления, установка испытаний натурных корпусов вентилятора на непробиваемость, установка испытаний камеры высокого давления, установка испытаний ротора и облопаченных дисков турбин, установка испытаний отсеков камеры сгорания с высокими параметрами, приближенными к параметрам натурного двигателя, стенд для испытаний газогенератора с наддувом и подогревом воздуха на входе, имитирующий условий натурного двигателя. Впервые в истории российского машиностроения, пермским КБ — АО «Авиадвигатель» была создана не только двигательная установка ПД-14, но и ее мотогондола. Для ее создания были использованы современные полимерные композитные материалы (65%), что позволило внедрить новые технологии шумоглушения и существенно снизить массу всего авиационного двигателя.
Современный авиационный газотурбинный двигатель пятого поколения ПД 14 является лучшей разработкой, в сравнении с предыдущими аналогами, выпущенными в
последние годы. В конструкцию силового агрегата турбовентиляторного типа входит вентилятор большого диаметра. Это необходимо для подачи в двигатель воздуха в больших количествах. Воздушная струя создает условия для создания необходимого тягового усилия. ПД-14 относится к турбовентиляторным двигателям, в которых потоки из двух контуров не смешиваются. Холодная часть состоит из трансзвукового вентилятора, выполненнного с широкохордными пустотелыми бесполочными лопатками, трехступенчатого компрессора низкого давления и шестиступенчатой турбины низкого давления. Воздух из второго «холодного» контура истекает из соплового насадка, имеющего волнистые края. Горячая часть двигателя состоит из восьмиступенчатого барабанно-дискового компрессора со степенью сжатия -17, камеры сгорания и двухступенчатой турбины. Система управления САУ-14 разработки «ОДК-СТАР» является двухканальной с полной ответственностью. Двигатель оснащается устройством реверса тяги решетчатого типа с электромеханическим приводом.
Удельный расход топлива на крейсерском режиме показан на 10—15 % меньше по сравнению с современными двигателями аналогичного класса тяги и назначения для всех двигателей семейства. Эксплуатационные расходы снижены на 14—17 %, а стоимость жизненного цикла уменьшена на 15—20 % по сравнению с конкурентами. Надёжность вылета ВС, связанная с готовностью двигателя оценивается выше, чем 99,96 %.
В Таблице 2 представлены основные технические характеристики авиадвигателя ПД-
14.
Таблица 2
Основные технические характеристики авиадвигателя ПД-14
№ Техническая характеристика Величина
1 Тяга на взлете 14 кгс
2 Тяга на крейсерском режиме 2430 кгс
3 Масса силовой установки 3780 кг
4 Степень двухконтурносги
5 Диаметр вентилятора двигателя 1900 мм
6 Схема работы 1+3+8 - 2-6
1 Давление в компрессоре 38
8 Удельный расход топлива 0,53 кг'кгс*ч
В настоящее время во всем мире только 15% авиационных двигателей, находящихся в эксплуатации, относятся к пятому поколению. Сама разработка ПД-14 проходила по новой, цифровой технологии, благодаря чему уже седьмой экземпляр авиадвигателя был собран в Перми по технологии серийного производства, в то время как раньше опытная партия изготовлялась в количестве до тридцати пяти экземпляров.
Новый двигатель ПД 14 обладает такими неоспоримыми достоинствами:
- Повышенная экономичность (расход топлива уменьшен на 12-16%).
- Возможность широкого применения в самолетах, работающих на маршрутах различной дальности.
- Совместимость с различными моделями самолетов, выпущенных ранее.
- Оснащение современной системой шумопоглощения, обладающей высокой эффективностью.
К имеющимся недостаткам следует отнести следующие факторы:
- Достаточно большой вес.
- Увеличенные, по сравнение с предыдущими моделями двигателей, габариты, что создает большое сопротивление набегающим воздушным потокам при полетах.
Представленные характеристики нового двигателя ПД 14 позволяют понять, насколько данная модель опережает своих предшественников по техническим параметрам и эксплуатационным возможностям. Это позволило существенно увеличить длительность эксплуатационного срока силового агрегата. На примере военно-транспортного самолета ИЛ 76 с установленным ПД-14, видно, насколько улучшены характеристики данного воздушного судна:
- Увеличена дальность полета до 4,8 тыс. км с нагрузкой, равной 6 000 кг; до 10,9 тыс. км
- без нагрузки, соответственно.
- Снижено потребление топлива на 13% из расчета на 1 км пути.
- Увеличена максимальная скорость до 800 км/час.
Целью всего проекта по созданию первого в семействе перспективных двигателей ПД-14 является завоевание более 10 % российского рынка турбовентиляторных двигателей в классе тяги 7—18 т. Стоимость всей программы оценивается в 70 млрд. руб., из которых 35 млрд. руб. будет выделено из Госбюджета. По расчётам ОАК, для обеспечения новых гражданских авиалайнеров, может быть востребовано до двухсот двигателей в год. Семейство перспективных двигателей ПД предназначено для установки на самолёты новые российские самолеты МС-21-200, МС-21-300 и МС-21-400. Более мощные модификации на базе газогенератора двигателя (ПД- 18Р) могут быть применены на, уже летающих самолетах, Ту-214, Ил-96-300 и Ил-96-400Т. Также исследуется возможность создания промышленных газотурбинных установок на базе двигателя. Возможности расширения продуктового ряда перспективных двигателей ПД на базе газогенератора ПД-14 показаны на Рис.1.
Рис. 1. Семейство перспективных двигателей ПД на базе газогенератора ПД-14
Применение различных перспективных двигателей из семейства ПД на ближнемагистральных, среднемагистральных и магистральных самолетов показано в Таблице 3.
Таблица 3.
Семейство перспективных турбореактивных двигателей ПД для
самолетов разных классов
Модель ПД-Е ПД-10 ПД-14А ПД-14 ПД-14У ПД-1КР
Ткп зытагеля Турбот ектилаторньы ТЧрбоЕет-гпгаторньи / Гавагеяерагереын
Д/шактр Еогптзтора. мм Нет т-гзных т. ч и и 1-Л-: 1Й77 1500 1500 1500 Нет тсчньах ¿^нньсх
двигателе. кг- Нет тгчнж Тчммигу 2350 23~0 2370 Нет тлян-лг -лдьт
"жз ы з^лёгнт: Геиосе. т; \К 10,90 12,54 14,00 15,® 11,00-20.00
Взлёта* гггл кН 108 12: 137 15: 178
Удельный рэсад: шла г Бфей:ерсха: ^еилие ШУ НТ Е че-: Нэ 10- ] 5 % иенное по ^раккенивс: с соБ?ез:енньзгс дзигагелпз! аналогичного клеста тягн н :■££.: :-^ПЕН]Ш Нэ 3-5 Чч : кисле па ■граБЕеншс с ПД-14
Нет точных т. ч и и 1-Л-: 1-1—£-2-5 1-з-е— 1-3-5-2-5 144+3-2+5 Нет -ТДДЦ--ЛГ -дш-т
Степень ДЕ^зйОЕгурвОьТК Нет г^чнж ТЛННИУ Нет точньсх данных V Нет тлян-лг -лдьт
Степень ППЕЕШЕВНг Т.-УРПСУУД з Нет точных ТДННИУ Нет точнее т~ч и м игу зз 41 +5 Нет тдднудг .-дддл:
П^иенЕнне Ак-143. Зикжи Зцреце! Ыепг, Зиреце! Ту-334, БЕ-200 Зирет]е1 !ЗОЫО МС-21-200, МС-21-300 МС-21-300. МС-21-^00. Ту-204 МС-21-^00. ип-7амд-90А, ИП-75М-50А, Н1-2"6: 7у-204 Ту-214, Ип-И-300, Ип-ИИОСТ, Ип-Юб
Важно отметить, что первый полностью отечественный двигатель ПД-14, с которым связывают будущее гражданской авиации России, напрямую конкурирует с двигателями PW1100G и PW1400G американской компании Pratt&Whitney для самолетов Airbus-320NEO и МС-21. Авиакомпании будут сами выбирать, чьи двигатели, российские или американские, они будут устанавливать на своих самолётах. Сильные стороны у нас, конечно, есть, и это не только цена, например, мы лучше по выбросам в атмосферу, шумам и так далее. Первоначально среднемагистральный пассажирский лайнер МС-21
проектировался с расчётом на установку двух моторов - американского Pratt & Whitney 1431 G-JM и российского ПД-14.
Импортный PW1431 в исполнении G-JM был создан на основе семейства PW1000, которые в различных модификациях монтируются на самолётах Airbus, Mitsubishi и Embraer. Для МС-21 был предусмотрен самый заряженный вариант с тягой до 14 тонн и диаметром вентилятора 2,1 метра. В данной рыночной нише находятся также авиационные моторы Leap-1A, Leap-1B, Leap-1C от американо-французского консорциума CFMI (General Electric и Snecma) для воздушных лайнеров Airbus-320NEO, Boeing-737MAX и китайского самолета С919 соответственно.
В планах Пермских моторостроителей — выпуск до 50 авиационных двигателей ПД-14 в год. В разработке конструкторов находится форсированный вариант с тягой до 14,5 тонн ПД-14А, а также ещё более мощный двигатель ПД-14М, рассчитанный на максимальные 15,6 тонн тяги. Реализуется на практике замечательная идея разработать для самолета Super Jet более лёгкий вариант ПД-8, который может вытеснить с рынка французских партеров из Snecma, которые становятся нашими конкурентами. Конструкторы-авиадвигателисты обещают построить новый двигатель ПД-16 для тяжёлой версии самолёта МС-21-400 со взлётной тягой в 17 тонн только за счёт увеличения степени двухконтурности. А если уменьшить диаметр вентилятора, то можно будет собрать авиадвигатель ПД-10 с тягой почти в 11 тонн. Вертолётный турбовальный вариант мощностью 11,5 тыс. л/с на базе ПД-14 будет в перспективе иметь имя ПД-12В. В этом исполнении он уже найдёт своё применение в армейской авиации.
В 2021 году на стендовые испытания планируют вывести ещё один авиамотор с именем ПД-35. Ранее, таких мощных авиационных двигателей в России и СССР вообще не производили: диапазон тяги от 25 до 50 тонн, диаметр вентилятора 3,1 метра, внешний диаметр 3,9 метра, а длина мотогондолы до 8 метров. Этот двигательный богатырь планируется запустить в серию в 2027 году. С появлением этого мотора у России появится надежда на возрождение легендарных «Русланов» или более совершенных аналогов. Это важно и для российского участия в программе создания широкофюзеляжного дальнего авиалайнера CR929 совместно российско-китайской разработки. И для Китая, и для России разработка и производство авиадвигателей особо чувствительная область. Создав двигатель ПД-14, мы показали возможности и по созданию более мощного ПД-35. Тем самым, развеваются сомнения наших китайских партнеров по созданию совместного самолета, в наличии у нас соответствующих технических и организационных возможностях по созданию современных авиадвигателей. Двигатель ПД-35 для
дальнемагистрального широкофюзеляжного самолета СЯ929 будет иметь доработанный компрессор высокого давления и другие усовершенствования. Его также можно будет устанавливать и на известный российский широкофюзеляжный авиалайнер Ил-96-400М.
Создание новых перспективных двигателей ПД-8, ПД-14 и ПД-35 позволит России выйти на совершенно новый уровень авиадвигателестроения и сохранит конкурентоустойчивость предприятий отечественной авиационной промышленности на мировом рынке.
Список литературы
1. Клочков В.В. Организационно-экономические основы обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных производств (на примере авиационного двигателестроения). Диссертация на соискание ученой степени доктора экономических наук. М.: МФТИ, 2007, 319 с.
2. Краев В.М., Тихонов А.И. Современные оценки, прогнозы и перспективы развития авиационного двигателестроения / Монография.- Ставрополь: ЛОГОС. — 2018. - 154 с.
3. Просвирина Н.В., Тихонов А.И. Перспективы развития рынка российского авиадвигателестроения // Московский экономический журнал, №2. 2017. С.43.
4. Краев В.М., Тихонов А.И. Эффективность внедрения программы импортозамещения в авиационное двигателестроение // РИСК: Ресурсы, Информация, Снабжение, Конкуренция. 2017. №2. С. 157-161.
5. Краев В.М., Тихонов А.И. Перспективы конверсии газотурбинных двигателей малой тяги // СТИН. 2018. №1. С. 2-6.
6. Тихонов А.И., Калачанов В.Д., Тихонова С.В. Обеспечение конкурентоустойчивости предприятий авиационного двигателестроения // Московский экономический журнал. 2019. № 11. С. 5.
7. Бабкин В.И., Солонин В.И. Современная методология создания конкурентоспособных авиационных двигателей и место науки в этом процессе // Актуальная тема. — 2017. — № 1 (109). — С. 10-13
8. Двигатель ПД-14 — технические характеристики. https://aviakatastrofa.net/raznoe/dvigatel-pd-14-tehnicheskie-
harakteristiki.html. [Электронный ресурс] — Режим доступа:
9. Начало испытаний МС-21 с двигателем ПД-14 — главное авиационное событие 2020 года. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://aviati on21.ru/nachalo-ispytanij -ms-21-s-dvigatelem-pd-14-glavnoe-aviacionnoe-sobytie-2020-goda
10. МС-21 — лайнер с «чёрным» крылом. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://aviation21.ru/ms-21-lajner-s-chyornym-krylom
11. МС-21 — семейство самолётов нового поколения. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://aviation21.ru/ms-21
12. Серийные ПД-14 в полёте: важнейшее техническое достижение России за десятилетие. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://topwar.ru/178267-serijnye-pd-14-v-polete-vazhnejshee-tehnicheskoe-dostizhenie-rossii-za-desjatiletie
13. Двигатель сверхбольшой тяги ПД-35. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://vpk.name/library/f7pd-35.html
14. ПД-35. Двигатель высокой мощности. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/space_for_you/pd35-dvigatel-vysokoi-moscnosti-5fd613190b82510af
15. Поднимет легко. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://rg.ru/2020/07/30/kak-prohodiat-ispytaniia-detalej-novogo-dvigatelia-bolshoj-moshchnosti-pd-35.html
16. ШФДМС СЯ929: трудный выбор двигателя. [Электронный ресурс] — Режим доступа: xn--https-ix3b//aviation21.ru/shfdms-cr929-trudnyj-vybor-dvigatelya
17. Китай и Россия подписали меморандум о сотрудничестве по созданию двигателя для ШФДМС. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://aviation21.ru/kitaj-i-rossiya-podpisali-memorandum-o-sotrudnichestve-po-sozdaniyu-dvigatelya-dlya-shfdms/
18. СЯ929 (ШФДМС) — последние новости и статус программы. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://aviation21.ru/shfdms-poslednie-novosti-i-status-programmy
