Мотор для МС-21
Владимир Карнозов
В ближайшие десять лет самой важной темой отечественного авиационного моторостроения будет создание газотурбинного двигателя следующего поколения в классе тяги 10-15 тонн. Такой мотор нужен для оснащения перспективного магистрального лайнера МС-21 и военно-транспортного самолета Ил-214, взлетный вес которых находится в районе 70 тонн.
Отечественные моторостроители, работающие по данной теме, объединились в две группы. Первую возглавляют запорожцы из ГП «Ивченко-Прогресс» и «Мотор Сич», в союзе с которыми выступают ММПП «Салют», Казанское МПО и Омское МПО им. Баранова. Вторая включает Пермский моторостроительный комплекс (ПМК) и ЦИАМ им. Баранова. Возможно, к ним присоединятся НПО «Сатурн» и УМПО. Скорее всего, это состоится после того, как акционеры «Сатурна» завершат оформление сделок по покупке крупных пакетов ПМК и УМПО.
Первая группа продвигает проекты, в основе которых лежит инновационная технология турбореактивного двигателя с приводом вентилятора через понижающий редуктор АИ-436М и АИ-727. Кроме того, «редукторным» мотором занимается также Самарский НТК им. Кузнецова - он работает над НК-93. «Пермское» направление ориентируется на классическую схему ТРДД, продвигая проект ПС-12.
Каждая схема имеет положительные и отрицательные моменты. В конструкции АИ-436М, АИ-727 и НК-93 присутствует планетарный понижающий редуктор между турбиной и вентилятором мощностью порядка 20-30 тыс. л.с. При этом скорости вентилятора и турбины заданы оптимальным образом, тогда как в двигателе классической схемы они выбираются компромиссно. Это позволяет получить очень высокую степень двухконтурности -- 10 -12 у «запорожских» и 16,6 у «самарского» моторов против 4-6 у серийных «классических» (10 на перспективных вариантах).
На моторах классической схемы труднее добиться заданных расходных характеристик. Удельный расход «концептуального» ПС-12 составляет 0,55 против 0,49 у «уже летающего» НК-93. Однако двигатель классической схемы компактнее, легче и долговечнее. Он требует меньше затрат на проведение технического обслуживания и ремонта. Расчетный ресурс ПС-12 - 80000 летных часов против 15000-20000 у НК-93. С технической точки зрения и классическая, и редукторная схемы имеют право на существование. За какой будущее - этот вопрос, «по-хорошему», должны решить не начальники в высоких кабинетах, а авиакомпании, взвешивая цены на топливо и потребные расходы на обслуживание и ремонт.
В мире имеются не только опытные, но и серийные турбореактивные двигатели с понижающими редукторами. Ими оснащены весьма популярные у европейских авиакомпаний большие региональные авиалайнеры семейства British Aerospace BAe-146 и Avro RJ-85/100. Правда, двигатели Honeywell LF502 и LF507 выполнены в сравнительно небольшой размерности (3-4 т тяги), а их планетарный редуктор имеет коэффициент передачи 2,3:1. Низкая тяга LF502 потребовала установить на BAe-146 четыре мотора. По этой и другим причинам английские самолеты не сумели продемонстрировать существенного преимущества в части топливной эффективности в сравнении с двухдвигательными конкурентами. Тем не менее LF502 и LF507 выпускались большой серией и "налетали" не один миллион часов. Тем самым было доказано, что двухконтурные реактивные с понижающим редуктором вполне жизнеспособны и могут составить конкуренцию "классическим" двухконтурным ГТД.
КАК ВСЕ НАЧИНАЛОСЬ
Запорожские моторостроители имеют уже целую историю предложений по двигателям размерности 10 -15 тонн. Она начинается в конце девяностых годов прошлого века. Тогда первые предложения легли на стол конструкторов ОКБ им. С.В.Ильюшина и КБ «Авиастеп» НПК «Иркут», которые вели проектирование перспективного рампового военно-транспортного самолета. В разное время он был известен под именами Ил-214, Индийско-российский транспортный самолет (ИРТС) и Multirole Transport Aircraft (MTA).
Хотя тема «Ближне-среднемагистрального самолета» (БСМС), которая затем стала именоваться МС-21 («Магистральный самолет 21 века»), на бумаге появилась несколько раньше Ил-214, реальная работа по нему началась позднее - в 2002 г., когда Росавиакосмос объявил соответствующий тендер.
В середине 2003 г. победителем тендера вышло ОКБ им. А.С.Яковлева, подавшее предложение вместе с ОКБ им. С.В.Ильюшина. Вскоре после включения «Яковлева» в состав НПК «Иркут», оба проекта попытались максимально унифицировать, в том числе по силовой установке. Естественно, запорожцы тогда предлагали один проект мотора на два самолета. Когда в 2004-2006 гг. МС-21 и Ил-214 «повисли» в состоянии неопределенности, «Прогресс» обратился со своими наработками к АНТК им. О.К.Антонова на предмет оснащения ими грузовых вариантов самолета Ан-148 (взлетный вес до 49 тонн). Таким образом, для запорожских конструкторов тема перспективного двигателя в классе тяги 10-12 тонн постоянно находилась в зоне внимания, чего не скажешь о других отечественных моторостроителях.
Как известно, первоначальный вариант Ил-214/MTA имел взлетную массу 50-55 тонн и проектировался под два серийных двигателя Д-436. Для него, даже с учетом перспективы роста, вполне подходили Д-436 с суффиксами Т2 и Т3. Однако по мере развития проекта требования к самолету неоднократно пересматривались, каждый раз находя отражение в увеличении максимальной взлетной массы. Она последовательно росла до 60, 65 и, наконец, 70 тонн. К сожалению, даже Д-436Т3 не может «потянуть» столь «растолстевшую» машину. Сегодня ей требуется мотор с тягой не менее 12 тонн. Столько же в 2003 г. просили и разработчики МС-21.
НОВЫЙ ПОВОРОТ
В 2005 г. запорожцы вышли с новым предложением - Д-436Т12 (или АИ-436). Увеличение тяги до 12 тонн достигалось радикальной переделкой холодного контура при сохранении газогенератора. Достичь заданных показателей экономичности (0,55) удалось за счет нового низкоскоростного вентилятора (диаметром 2070 мм) с приводом через "салютовский" редуктор (передаточное соотношение 2,079:1). И это при использовании газогенератора серийного мотора Д-436!
Суть изменений в базовом Д-436 сводилась к внедрению в конструкцию исходного двухконтурного трехвального турбореак
тивного двигателя дополнительного элемента - понижающего редуктора. Он занимает место между турбиной низкого давления и вентилятором. В результате появилась возможность значительно повысить степень двухконтурности двигателя: с 5 до 10-12.
Предложение по АИ-436 запорожцы сделали в ответ на просьбу ОКБ им. А.С.Яковлева и В.С.Ильюшина о «недорогом, с быстрым выходом на рынок моторе, обладающем отличными расходными характеристиками». Такой мотор, построенный на основе существующего газогенератора Д-436, может быть создан за 3-4 года и появится на свет вместе с МС-21 и Ил-214.
Полностью новый вентилятор предполагалось создать на основе новых технологий ЦИАМ, основанных на расчете трехмерного потока через лопаточную машину. Получить высокие характеристики вентилятора и турбины планировалось также за счет широкого использования технологий «блиск» (от английского blade and disk - «моноколесо», выполненное как единое целое, то есть лопатки «заодно» с диском).
На разработку АИ-436 запорожцы просили всего-навсего 60-70 млн. долл., что поистине смехотворно мало. Конкуренты из Перми предложили ПС-12, на который требовалось 300-400 млн. долларов при сроке создания 10-15 лет.
Если бы в 2003 г. самолетостроители остановили свой выбор на АИ-436 и нашли необходимые на его разработку средства, первый экспериментальный образец мог появиться уже в 2005 г. На освоение технологий, доводку и запуск в серию требовалась постройка опытной партии из 18-20 моторов. Испытания заняли бы 3-4 года и завершились получением сертификата типа не позднее 2010 г. Действующие в начале веке цены на материалы, энергию и рабочую силу позволяли уложиться в 200 млн. долларов.
Но самолетостроители, равно как и правительство, не торопились. Лишь на МАКС-2005, через два года после подачи предложения, руководители ОКБ им. А.С.Яковлева Олег Демченко и Александр Долженков объявили АИ-436 лучшим из предложенных вариантов силовой установки МС-21. Но на этом дело не закончилось. По решению правительственных структур начало разработки МС-21 и Ил-214 отложили на пару-тройку лет в угоду концентрации усилий на проекте Sukhoi Superjet 100. Вместе с этим отпала необходимость в «недорогом, с быстрым выходом на рынок моторе, обладающем отличными расходными характеристиками».
НОВЕЙШАЯ ИСТОРИЯ
В середине 2007 г. правительство вернулось к вопросу о финансировании разработки МС-21. А еще через полгода, в ноябре-декабре прошлого года, удалось выйти на межправительственные договоренности с Индией по взаимоприемлемой схеме совместного финансирования Ил-214/MTA. Ввиду перспективы мощных бюджетных вливаний, создание «недорогого, с быстрым выходом на рынок мотора, обладающего отличными расходными характеристиками» потеряло актуальность. На повестку дня вышло видоизмененное пожелание - «полностью новый мотор со всеми новыми технологиями и компонентами». На роль последнего лучше подходил ПС-12. К тому же он был безупречен политически - полный цикл создания и производства его разработчики обещали «замкнуть» пределами России.
Перенос сроков выхода МС-21 на рынок с 2008-10 на 2015 гг. оправдал разработку полностью нового ПС-12. Правда, поисковые работы по его газогенератору начались еще в 1998 г. Пермский двигатель находится на стадии эскизного проекта. Он обещает на 6-13% лучшую топливную эффективность и сниженную на 15-20% стоимость жизненного цикла по сравнению с CFM56. Создание ПС-12 обойдется в 36,165 млрд. рублей, из которых 28,593 млрд. требуется на НИОКР, 4,67 млрд. - на модернизацию производственных мощностей и 2,903 млрд. - на подготовку производства. Пермские коллеги пошли по пути классической компоновки. Ранее аналогичный выбор сделала объединенная группа рыбинских и французских моторостроителей, создавая двигатель SaM146. Правда, последние взяли за основу конструкцию легендарного CFM56, заложенного еще в 1972 г., с сохранением его схемы и умеренной степени двухконтурности (5). Пермяки же пошли на широкое использование современных материалов и вычислительных методов, позволяющих увеличить степень двухконтурности до 9-10, как у новейших американских и английских моторов для А380 и Boeing 787.
Понемногу склоняясь к пермскому варианту, разработчики МС-21 и Ил-214, однако, публично от АИ-436 не отказывались. Они предпочитали по-тихому «заваливать» запорожцев претензиями: мотор-де негоже строить на «старых технологиях», тем более что острота по срокам пропала. Кроме того, тяга в 12 тонн уже считалась недостаточной - «платформы» в очередной раз потяжелели, перевалив за 70 тонн. С учетом последнего передела рынка между «Иркутом» и «Сухим», первый будет заниматься самолетами вместительностью 150-210 мест, для оснащения которых требуется семейство моторов тягой 13-15 тонн. Что же касается «Сухого» с его новыми проектами SSJ-110 и SSJ-130, то здесь соревнования между поставщиками силовой установки не предвидится: по всей видимости, удлиненные версии базового Superjet 100 оснастят вариантами SaM146 повышенной мощности.
На критику самолетостроителей запорожцы ответили новым предложением -- АИ-436М. В его конструкции нашли место перепрофилированный вентилятор, новый «промежуточный» компрессор и турбина высокого давления. Иными словами, АИ-436М отличался от АИ-436 заново спроектированным газогенератором, хотя в его конструкции сохранились отдельные элементы Д-436. Тяга выросла до 14,3 тонн с возможностью увеличения до 16. Удельный расход на крейсерском режиме сократился до 0,53.
Технологическую базу для АИ-436М создают достижения по программам Д-27 и Д-18Т. Технологии Д-27 (в его конструкции тоже используется понижающий редуктор) позволяют выйти на удельный расход топлива на крейсерском режиме порядка 130-135 г/л.с.-ч. К настоящему времени ММПП «Салют» удалось найти пути по увеличению ресурса. Для первой товарной партии серийных моторов он будет близок к цифре серийных турбовинтовых АИ-20 -- 20000 часов.
На основе газогенератора Д-27 предлагается также создание турбореактивного АИ-727 с повышенной степенью двухконтурности (13). Возможны два варианта. При сохранении турбины Д-27 тяга на взлетном режиме составит 10 тонн. Вариант АИ-727М с двумя заново спроектированными ступенями компрессора низкого давления, увеличенным диаметром вентилятора (с 1942 мм до 2180 мм) и новой турбиной развивает тягу 11 тонн.
На создание и сертификацию АИ-436М требуется порядка шести лет, выход серийных экземпляров - 2015 г.
Соответствующее предложение подали ОАК в начале 2007 г., но внятного ответа до сих пор не получили.
По времени подача предложения совпала с началом летных испытаний летающей лаборатории ЛИИ им М.М.Громова на базе Ил-76, на одном из пилонов которой подвешен НК-93. Несколько ранее французская фирма Snecma представила концепт бироторного турбореактивного двигателя повышенной степени двухконтурности VITAL. А Pratt&Whitney презентовала новый вариант понижающего редуктора, созданный с учетом опыта неудачного проекта редукторного мотора PW8000. Улучшенный американский двигатель заинтересовал сразу две авиастроительные фирмы - Mitsubishi и Bombardier. Они пожелали установить его на новые самолеты вместимостью сто пассажиров, которые появятся на рынке в следующей декаде.
Кроме того, внимание специалистов привлек новый компактный турбореактивный мотор разового применения фирмы Williams, созданный на основе технологий понижающих редукторов для атомной энергетики. Rolls-Royce также начал исследование по теме турбореактивного двигателя с незакапотированным вентилятором для магистральных самолетов будущего. В целом, 2007 г. запомнился отчетливо очертившейся тенденцией развития турбореактивных силовых установок летательных аппаратов, основанной на использовании понижающих редукторов в конструкции моторов с тягой от 400 кгс до 18 тонн.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Дискуссия по будущему авиадвигателестроения в России имеет тенденцию возобновляться в апреле каждого четного года, когда в Москве проходит очередная выставка "Двигатели". Одна из острых
тем - как сохранить отечественную школу авиационных моторов для гражданской авиации. Имеет ли смысл России сохранять собственное двигательное производство или войти в международную кооперацию и в рамках разделения труда сосредоточиться на отдельном модуле? По этому вопросу в авиационном сообществе нет единого мнения. Наиболее здравой, на наш взгляд, выглядит идея вхождения России в широкую международную кооперацию, в которой наши ведущие предприятия будут специализироваться на неком важном элементе перспективной силовой установки магистральных пассажирских и грузовых самолетов. Например, понижающем редукторе газотурбинного двигателя. Соответствующие технологии накоплены несколькими ведущими предприятиями отрасли. Скорее всего, выбор будет сделан руководством страны по политическим, а не чисто техническим или экономическим соображениям.
