В каких направлениях развивается российское авиационное двигателестроение? Об этом главный редактор "АН" Андрей Угланов говорит с Евгением Шахматовым, академиком РАН, доктором технических наук, научным руководителем Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева.
– Уважаемый Евгений Владимирович! Последние лет 10 благодаря в том числе моей газете "Аргументы недели" наши граждане много узнали о самолетных и ракетных двигателях. Газета и сегодня не пропускает ни одного номера, чтобы не затронуть эту тему. Поэтому сам Бог велел встретиться с вами – ведущим двигателистом в мире – так пишет и наша, и иностранная пресса. А ваш Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, где вы долгое время были ректором, а сегодня – научный руководитель, – называют в десятке лучших в мире технических вузов. Поэтому берем быка за рога. Как получилось, что в Самаре и области были сконструированы и запущены в серию лучшие в мире ракетные и авиационные двигатели? Те же РД-107, РД-108, НК-33, НК-93 и другие. Что это за место такое – где пропеллеры крутятся быстрее, чем в других местах, а реактивная струя – самая постоянная и мощная?
– В Самарской Луке, где Волга делает большой поворот вокруг Жигулевских гор, расположена аномалия, которая придает силы не только местным жителям, но и всей России. Это лирическое отступление подводит нас к теме двигателей. Прежде всего хочу подчеркнуть, что я не являюсь главным специалистом в области двигателестроения; есть выдающиеся профессионалы, на которых следует равняться.
Если говорить о двигателях, то стоит упомянуть РД-107 и РД-108. Эти двигатели использовались еще на ракете Р-7, ныне известной как "Союз". Именно Сергей Павлович Королев передал технологии производства первых двух ступеней этой ракеты в Самару, а Валентин Петрович Глушко занимался разработкой двигателей, которые затем перешли на серийное производство. Благодаря усилиям Королева в Самаре началась эра ракетостроения, спутникостроения и дистанционного зондирования Земли, которое продолжил Дмитрий Ильич Козлов, знаменитый конструктор ракетно-космической техники, генеральный конструктор "ЦСКБ-Прогресс".
Еще один гениальный конструктор авиа- и ракетных двигателей – Николай Дмитриевич Кузнецов. Он был тем человеком, который брался за любую сложную задачу во имя Родины. Собрал уникальный коллектив, который позволил создать такие двигатели, как НК-93. Но стоит вспомнить и о других моделях: НК-4, НК-6, НК-8 – последний из которых использовался на Ту-154, и НК-144 – двигатель первого сверхзвукового пассажирского самолета.
Двигатели НК-32, НК-25 и НК-12 являются основными для стратегической авиации. Особое внимание заслуживает НК-12 – уникальный турбовинтовой двигатель, который по сей день остается непревзойденным в мире. Все эти достижения являются результатом работы Николая Дмитриевича Кузнецова и его конструкторского бюро, а также множества предприятий, вузов и научных организаций, которые поддерживали этот комплекс.
Говоря о других двигателях, нельзя не вспомнить Генриха Васильевича Новожилова, который, к сожалению, уже покинул нас. В университете в Самаре ему показали Центр истории авиационных двигателей, где он увидел двигатель НК-56. Этот двигатель, о котором вы не упоминаете, является уникальным, так как предполагался для самолета Ил-96, который позже стал известен как Ил-96-300.
Генрих Васильевич рассказал историю о том, что изначально планировалось установить НК-56 на Ил-96, который должен был вмещать около 350 пассажиров. Однако (теперь можно говорить об этом открыто) министр авиационной промышленности И.С. Силаев пригласил его и сообщил, что НК-56 не будет использоваться на этом самолете; вместо него будет другой двигатель – ПС-90. Несмотря на все усилия Генриха Васильевича продолжить работу с НК-56, преодолеть административный ресурс не удалось.
После этого разговора Генрих Васильевич вернулся в конструкторское бюро и собрал своих заместителей, объявив им, что они будут разрабатывать не Ил-96, а Ил-96-300. Все были удивлены: обычно модификации обозначались буквами М, В или А, а тут – 300. Почему? Потому что часть фюзеляжа была вырезана, и в результате 50 пассажиров "пропали" – теперь вместо 350 человек самолет вмещал только 300.
Не стоит забывать и о других "кузнецовских" двигателях, которые впоследствии использовались для газоперекачки и для малых электростанций. Это была конверсия, осуществленная благодаря усилиям Николая Дмитриевича Кузнецова. За ним стояли удивительные люди, которые делали то, что другим было не под силу.
Как "аукнулась" наша лунная программа
– Я помню много разговоров о неудачной лунной программе в СССР. О проекте ракеты Н-1. Он так и не был реализован, но от него остались уникальные двигатели НК-33. Что это за история?
– История двигателя НК-33 началась в тот момент, когда Сергей Павлович Королев задумал лунную ракету проекта Н-1. Мы сейчас говорим о ней как о суперракетe, уникальной в своем роде, но тогда перед конструкторами стояли чисто технические задачи. Королев обратился к Валентину Петровичу Глушко с просьбой разработать более эффективный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) закрытой схемы. Однако Глушко ответил, что еще не пришло время для такого двигателя.
Расстроенный Королев встретился с Андреем Николаевичем Туполевым и поделился своими проблемами. Туполев предложил ему обратиться к Николаю Дмитриевичу Кузнецову, авиационному конструктору из Куйбышева, который славился своей прогрессивностью и готовностью взяться за сложные задачи. Королев действительно поехал в Куйбышев и убедил Кузнецова заняться созданием жидкостного ракетного двигателя. Николай Дмитриевич собрал своих молодых соратников и, не упоминая о скептицизме Глушко, сказал: "Мужики, надо сделать такой двигатель". В результате появился НК-33.
В 90-е годы предприятие жило за счет продажи этого двигателя американцам. Эта история демонстрирует предвидение Николая Дмитриевича и его способность вдохновить своих соратников на великие дела. Среди них были выпускники Куйбышевского авиационного института, что подчеркивает уникальность этой истории.
– "Авиадвигательная" специализация Куйбышевской, а потом Самарской области когда начала складываться?
– Вы задаетесь вопросом, почему Куйбышев и Самара сосредоточены на авиационной тематике? Ответ кроется в истоках создания этих предприятий, которые были эвакуированы сюда во время войны. Начинали работу с нуля, устанавливая станки под открытым небом, и люди трудились в таких условиях. Позже появились корпуса и были построены бараки, где жили работники.
Условия труда можно назвать спартанскими по современным меркам, но люди знали, за что они работают: чтобы Родина получила то, что от них требовалось. Эта закалка осталась до сих пор. Поэтому здесь сложилась уникальная история предприятий, связанных с аэрокосмической техникой.
Сложные условия работы в военное время сформировали дух коллективизма и преданности делу. Работники понимали важность своей миссии и стремились к достижению высоких результатов. Это наследие продолжает жить и сегодня, поддерживая традиции и инновации в области авиации и космонавтики.
Где двигатель – там и шум
– Сегодня вы – в том числе – научный руководитель Института акустики машин при Самарском университете им. Королева. Говоря об акустике, я предполагаю, что речь идет о шумах, которые возникают при работе авиационных и ракетных двигателей. И большая проблема в авиации – как уменьшить эти шумы. Насколько наивен мой вопрос и что означает ваша специализация – динамика и виброакустика сложных технических систем?
– Это направление научно-технической деятельности объединяет вопросы нескольких научных дисциплин. Виброакустика, как мы ее понимаем, представляет собой комплекс задач, которые решаются в сложных машинах и механизмах. Она связана с взаимодействием рабочего тела – жидкости или газа – с механическими элементами, а также с излучаемым этими машинами и механизмами шумом. Переведя это на более знакомые нам темы, можно провести аналогию с обследованием сердца: когда человек делает эхограмму, он слышит, как работает сердце через сосуды, включая звук. Мы обычно этого не слышим, но, когда включаются приборы, становится очевидно, что происходит нечто значительное. Подобные процессы наблюдаются и в авиационной и ракетно-космической технике.
Задачи виброакустики связаны со снижением динамических нагрузок. Почему именно динамика и виброакустика? В статике, когда все стоит на месте, отсутствуют шумы, звуки и вибрации рабочей среды. Именно в динамике возникают нагрузки, которые, с одной стороны, обеспечивают функционирование механизмов и машин, а с другой стороны, являются источниками виброакустических воздействий на конструктивные элементы. Эти воздействия могут привести как к разрушению, так и к аварийным ситуациям; примеров подобных случаев множество.
Поэтому одной из самых серьезных задач в динамике является снижение влияния вибраций и пульсаций на элементы конструкции машин. Это требует комплексного подхода к анализу и контролю виброакустических характеристик, чтобы обеспечить надежность и безопасность работы сложных систем.
Наша кафедра, Институт акустики машин, занимается вопросами виброакустики, что исторически сложилось благодаря ряду факторов. К сожалению, в декабре прошлого года ушел из жизни академик Владимир Павлович Шорин, основатель школы динамики трубопроводных систем. Именно от динамики развилась и виброакустика машин.
Академик Шорин занимался решением проблем, связанных с вибрациями, когда Николай Дмитриевич Кузнецов разрабатывал двигатели. Снижение вибраций было первоочередной задачей. Для этого использовались специальные виброгасители, которые устанавливались в элементы конструкции. Однако откуда берутся вибрации трубопроводов на двигателе или в летательном аппарате? Их источником является гидравлический насос, который подает жидкость порциями, создавая пульсирующие подачи. Это возбуждает всю систему.
Разобраться в этих сложнейших механизмах – как работают насосные агрегаты и как они взаимодействуют с трубопроводами, которые на самолетах могут достигать сотен метров, – задача крайне важная. Необходимо снизить влияние пульсаций рабочей среды, генерируемых насосом, на механическую систему и, соответственно, на излучаемый шум. Все эти вопросы изучаются в рамках направления, связанного с виброакустикой машин.
Снижение шума самолетов – это отдельная и огромная проблема. Виброакустика играет ключевую роль в обеспечении надежности и безопасности работы авиационных систем. Исследования в этой области направлены на создание более эффективных решений для минимизации негативного воздействия вибраций и шумов на конструкции и механизмы летательных аппаратов.
Когда мы говорим об активном шумоглушении, подразумеваем создание акустических волн в противофазе. В самолете, запустив активную систему гашения шума, мы можем ощутить тишину, но на самом деле динамические процессы, которые генерируют этот шум, остаются. Мы создаем комфортные условия для человека, однако внешние эффекты сохраняются прежними. Изучение вопросов, связанных со снижением шума у источника, напрямую связано с динамикой, вибрациями и акустикой. Все эти аспекты объединяются в единый комплекс задач по снижению шума у источника или установке различных устройств – гасителей пульсаций и вибраций.
Эти задачи имеют огромное значение не только для аэрокосмической техники, но также могут быть применены в других областях, например в подводном флоте. Уменьшение шума и вибраций критически важно для повышения эффективности работы техники и обеспечения безопасности. Исследования в этой сфере направлены на разработку новых методов и технологий, которые помогут минимизировать негативное влияние шумов и вибраций на эксплуатацию различных систем.
– Вы упомянули водную среду, и это навело меня на мысль о том, что на больших кораблях устанавливают балласт на днище. Этот тяжелый элемент необходим для повышения устойчивости судна. Однако, возможно, я ошибаюсь, но будто бы и в самолетах могут использоваться какие-то тяжелые металлические элементы, устанавливаемые на днище для гашения вибраций.
– Когда речь заходит о кораблях и надводных объектах, это понятная тема. Однако в случае самолетов мы боремся за каждый килограмм веса. Если вместо людей или полезного груза перевозить тяжелые элементы, такие как болванки, самолет действительно станет более устойчивым. Но цель полета несколько иная. Устойчивость самолета должна быть обеспечена с помощью систем, которые гарантируют эту устойчивость. В частности, это может включать системы выработки топлива из центроплана и крыльев – это отдельные серьезные проблемы, которые также способствуют обеспечению устойчивости самолета.
Не случайно, когда происходят аварийные посадки, иногда требуется сбросить топливо. Это необходимо для обеспечения надежности и устойчивости посадок не только из-за риска возникновения пожара, но и для возможности безопасного планирования.
Таким образом, задача, которую вы поставили, действительно сложная. Для подводников и надводников она одна, но для летательных аппаратов это совершенно другая проблема. Загружать самолеты лишним весом – это не самое правильное решение, даже если оно может дать какой-то эффект. В авиации важны оптимизация конструкции и использование технологий, которые обеспечивают необходимую устойчивость без увеличения веса.
О ЖРД и ТТРД
– Когда я учился в МАИ – давно, правда, это было, – одной из проблем при работе летательных аппаратов было распределение топлива в баках. То есть распределение керосина в баках самолета, чтобы его не повело в одну сторону, и поведение топлива в баках с горючим в ракете, если она не твердотопливная, а жидкостная. Почему у нас больше развивалось жидкостное направление в ракетостроении, а в США – твердотопливное?
– Исторически так сложилось, что развитие ракетной техники в нашей стране началось с группы ГИРД, созданной в конце 1920-х – начале 1930-х годов. В ее составе были такие выдающиеся личности, как Сергей Павлович Королев и Валентин Петрович Глушко. Именно оттуда началось освоение жидкостных ракетных двигателей.
Если говорить о твердотопливных двигателях, то стоит обратиться к академику Юрию Семеновичу Соломонову. Он подтвердит, что твердотопливная техника также активно развивается и решает серьезные задачи. Жидкостное двигателестроение в основном связано с гражданскими направлениями освоения космоса, тогда как твердотопливное направление больше ориентировано на оборонные нужды.
Эти два направления дополняют друг друга и играют важную роль как в обеспечении обороноспособности страны, так и в решении множества гражданских задач. Историческое развитие этих направлений абсолютно оправдано. В тех случаях, где это необходимо, задачи решаются не только с помощью жидкостных двигателей, но и другими способами. Это мы можем наблюдать и в рамках текущих спецопераций.
Таким образом, важно понимать, что каждая из технологий имеет свои уникальные преимущества и предназначение. Эффективное использование как жидкостных, так и твердотопливных двигателей позволяет достигать поставленных целей в различных сферах – от обороны до гражданского использования.
– По каналу "Звезда" частенько показывают авиационные двигатели с изменяемым вектором тяги. Наши движки – V поколения АЛ-41Ф1 крутятся как на шарнире, отчего самолеты Су-57, Су-35 и другие вытворяют в воздухе пируэты, несовместимые с существованием силы гравитации. На американских же F-35 установлены двигатели PW – F119-PW-100, которые отклоняются от оси только в одной плоскости. Это показали в фильме "Крепкий орешек – 4" с Брюсом Уиллисом, когда А-35 может вертикально взлететь, сесть и даже зависнуть в воздухе. Это выглядит эффектно. Но в США что, не могут сделать сопло двигателя, которое крутится в разные стороны, как у наших самолетов?
Кстати, наши ресурсы пишут о появлении у нас движков с изменяемым вектором тяги уже 6-го поколения. У них практически квадратное сечение сопла. В открытом доступе есть фотографии. Можно обрисовать и контуры нового двигателя, если они есть в открытых источниках?
– Были поставлены определенные цели, чтобы управлять соплом не только для включения реверса при посадке, но и для изменения вектора тяги двигателей с помощью сопла. Эта задача была успешно решена теми двигателями, о которых мы сейчас говорим. Почему американцы идут своим путем? В некоторых аспектах у них это получается лучше, в других – хуже. Главное – нам самим понимать тенденции и перспективы в этой сфере уникального машиностроения, потому что авиационный двигатель является одной из самых сложных энергетических машин, созданных человеком. Это действительно уникальное изделие.
Нам необходимо сохранять паритет или даже приоритет в развитии, особенно там, где мы можем создавать уникальные конструкции, которые иногда кажутся фантастическими. Такие конструкции вызывают восхищение. Вы помните, как на авиасалоне МАКС демонстрируют фигуры высшего пилотажа? Это напоминает сцену из фильма "В бой идут одни "старики", когда самолет взлетает и выполняет невозможные маневры вопреки всем законам физики.
В этом контексте важно отметить, что за успехами стоят внутренние резервы научных школ, начиная от ЦАГИ и заканчивая именами таких выдающихся конструкторов, как Андрей Николаевич Туполев, Сергей Владимирович Ильюшин, Николай Дмитриевич Кузнецов и другие. Эти люди объединяли вокруг себя талантливых специалистов, которые смотрели в будущее и искали пути преодоления существующих ограничений. Когда им говорили, что что-то невозможно, они отвечали: "Да, сейчас это невозможно, но мы попробуем". И часто у них получалось.
Примером этого служит история с НК-33. Когда была закрыта лунная программа, Николай Дмитриевич Кузнецов получил указание уничтожить приготовленные для нее двигатели и документацию. Однако его стремление к инновациям и развитию не позволило ему выполнить этот приказ полностью. Он понимал ценность созданных им технологий и продолжал работать над их совершенствованием.
Николай Дмитриевич Кузнецов проявил величайшую мудрость, когда сказал: "Мужики, спрячьте так, чтобы никто не смог найти ни двигатели, ни документацию". Часть материалов действительно была уничтожена, но около ста готовых двигателей НК-33 сохранилось. В середине 1990-х годов на одном из аэрокосмических салонов этот двигатель был выставлен, и американцы, увидев его, удивлялись: "Этого не может быть! Как вы создали такое? Давайте попробуем!"
Это отдельная история. Когда мы договорились с американцами, они привезли своих специалистов к нам для испытаний. Двигатель должен был работать 110 секунд и выдавать 150 тонн тяги. Он успешно выполнил это требование. Американцы были в недоумении: "Как так? Без переборки, просто со склада вытащили – и он работает!" Двигатель пролежал на складе четверть века, а теперь функционирует.
Уже на испытаниях в США американцы предложили увеличить тягу до 175 тонн. Двигатель снова отработал 110 секунд и выдал 175 тонн тяги. Затем американцы спросили: "А можем ли мы увеличить до 190 тонн?" И снова двигатель справился с задачей: он работал 110 секунд и выдал 190 тонн. Американцы были поражены: "Ничего не сгорело, ничего не разрушилось!" И в завершение они спросили: "А сможет ли он еще раз выдать номинальные 150 тонн?" И он снова успешно отработал 110 секунд в номинальном режиме.
Это произошло примерно в середине 1990-х годов. Американцы тогда сказали сакраментальную фразу: "Какая же богатая страна Россия, что может позволить такому уникальному продукту лежать на складе четверть века". А ведь этот двигатель работает и сегодня. Например, ракета "Союз-2.1В" легкого класса использует двигатель НК-33. Представляете? Прошло 50 лет, а он по-прежнему функционирует. Американцы наблюдают за этим с интересом.
Когда вернем НК-93?
– Многим из нас до сих пор не дают покоя воспоминания о красавце-самолете Ту-144. Вы, еще будучи студентом, работали с его двигателем – его разработало знаменитое КБ Николая Кузнецова. Он и назывался НК-144. Каким было его развитие? Или движок забыт и упокоился вместе с планером около ЛИИ в Жуковском?
– Двигатель НК-144 находится в нашем центре истории двигателей. Приезжайте, посмотрите. На учебном аэродроме нашего университета также представлен Ту-144, что свидетельствует о сохранении памяти об этом уникальном самолете. Двигатель НК-144 был разработан на основе технологий, использованных для создания двигателей стратегической авиации. Уникальные разработки продолжаются и применяются в современных изделиях.
– Уважаемый Евгений Владимирович, наш разговор подходит к концу. Напоследок главный вопрос. Когда вышли первые номера газеты "Аргументы недели", я поднял тему внедрения в авиацию двигателя НК-93. Уже тогда, почти 20 лет назад, говорили, что он опережает время и по технологиям, и по потреблению горючего, и по шумам. Движок даже от президента Путина прятали на МАКСе, чтобы, не дай бог, не увидел и не дал команду о его применении. Вот бы сейчас подошел и для Ил-96, и для Ил-79, не говоря о запуске в новую серию аналога Ан-124. Как вы считаете – поезд для НК-93 ушел безвозвратно? На Западе-то движки с такой степенью двухконтурности как будто уже появились.
– Вопрос для меня действительно сложный, поскольку я был участником одной из конференций в начале 1990-х годов, на которой Николай Дмитриевич Кузнецов представил доклад по двигателю НК-93. Все участники конференции с огромным интересом наблюдали за тем, что этот двигатель может предложить: заложенные параметры обеспечивали как экономичность, так и надежность.
С тех пор прошло около 35 лет, и, конечно, многое изменилось. Однако сама идея остается актуальной, и накопленный опыт, вложенный в разработку НК-93, заслуживает серьезного внимания. В свое время американцы, покупая двигатели НК-33 у фирмы Кузнецова, делали все возможное для того, чтобы НК-93 не развивался. Это был уникальный конкурент.
Теперь стоит вопрос: где тот самолет, на который можно установить такой двигатель? Да, он один в один с модернизированным НК-93. Но где тот Ил-96-400 или какой-то другой "Ил", на который можно применить эти двигатели? Необходимо не только установить их, но и довести до серийного образца, который можно будет использовать долгие годы. Идея НК-93 не просто осталась – она живет. Этот двигатель стал символом борьбы добра со злом. Он остается символом этой борьбы: кто-то хочет уничтожить его разработки, а кто-то стремится сохранить их. Обычно побеждает добро.
Технологические и конструкторские достижения не забыты – они активно используются в нашей авиации. Важно помнить, что авиационный двигатель – это одна из самых сложных энергетических машин, созданных человеком. Это уникальное изделие требует постоянного внимания и развития.
Мы должны сохранять паритет или даже приоритет в этой области, особенно там, где у нас есть возможность создавать такие уникальные конструкции. Эти достижения вызывают восхищение и подтверждают значимость наших науки и техники.
Источник: Аргументы недели