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

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.

- 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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».

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.

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.