МАИ для двигателестроения

В 2020 году исполняется 90 лет Московскому авиационному институту (национальному исследовательскому университету) и моторному факультету («Двигатели летательных аппаратов», сегодня — институт № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки»).

Одновременно с образованием факультета были основаны и две профилирующие кафедры: теории авиадвигателей и конструкции авиадвигателей. Учебные планы на тот момент предусматривали подготовку инженеров по авиационным поршневым двигателям. В конце 40-х годов в авиации произошёл революционный переход от двигателей внутреннего сгорания к газотурбинным двигателям. В соответствии с этим и учебный процесс, и план научных исследований были переформатированы в направлении газотурбинного двигателестроения. С появлением жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей, электроракетных двигателей на факультете создавались новые кафедры и лаборатории.

Сегодня институт № 2 «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки» МАИ проводит научно-исследовательские работы и осуществляет учебный процесс по всем типам двигательных установок всех типов летательных аппаратов (ЛА), выполняющих полёт как в воздухе, так и в космосе, а также рассматривающихся и в качестве перспективных двигательных установок ближайшего будущего.

Авиационные двигатели являются сложнейшими техническими устройствами, сконцентрировавшими в себе передовые достижения в самых разных областях науки: теории горения, прочности, надёжности, механики жидкости и газа, материаловедения и т. д. Именно поэтому только четыре страны в мире способны самостоятельно разрабатывать, производить и эксплуатировать авиационные двигатели. Это Россия, США, Великобритания и Франция. Сумев сохранить себя в этой четвёрке, несмотря на катастрофические 90-е, Россия вернула себе уверенность в том, что она является передовой технологической державой.

Одной из составляющих звеньев процесса разработки новых авиационных двигателей является кадровое обеспечение. Необходимо отметить, что обучить вчерашнего школьника на уровень инженера по проектированию авиационных двигателей невозможно менее, чем за 5 лет. Именно поэтому идеология трёхлетнего-четырёхлетнего бакалавриата не очень приживается в авиадвигательной среде. В МАИ инженера по проектированию авиационных двигателей обучают 5,5 лет. При этом руководители предприятий, на которые приходят выпускники института, отмечают, что ещё необходим как минимум год для полной адаптации выпускника вуза к практической работе. В связи со столь значительной инерционностью образовательного процесса необходимо обучать студентов на технологиях следующего поколения авиационной техники. Если сейчас вводятся в эксплуатацию летательные аппараты и двигатели 5-го поколения, то в вузе учебный процесс должен быть ориентирован как минимум уже на 6-е поколение.

В настоящее время в авиационном двигателестроении вновь сложилась ситуация, требующая революционных решений. Уже сейчас прогресс в материаловедении, системах охлаждения привёл к тому, что авиационные газотурбинные двигатели уже приблизились к своему термодинамическому пределу.

Мы находимся на пороге очередной революции в авиационном двигателестроении. Разными авторами называются различные перспективные направления: распределённые силовые установки с механическим, газодинамическим или электрическим способом передачи мощности, двигатели с изменяемой степенью двухконтурности, гибридные силовые установки с газотурбинной и электрической составляющими, двигатели, в камерах сгорания которых реализуется детонационное горение, двигатели с горением в сверхзвуковом потоке, комбинированные силовые установки.

Продолжая заниматься совершенствованием рабочего процесса, конструкции и технологии существующих и разрабатываемых в настоящее время двухконтурных и турбовинтовых двигателей, специалисты института № 2 в силу вышеизложенных обстоятельств всё более активно развивают следующие перспективные темы, которые, по нашему мнению, определят развитие авиадвигателестроения 6-го поколения:

1. Комбинированные силовые установки для перспективных летательных аппаратов с максимальной скоростью полёта, превышающей скорость звука более чем в 4 раза, М_п>4. Отметим, что все существующие летательные аппараты, способные производить самостоятельный взлёт, выполнение целевой задачи, возвращение, обеспечивающие многоразовую эксплуатацию, имеют максимальную скорость полёта, не превышающую скорость звука в 3 раза.

Наиболее наглядно это можно представить на диаграмме зависимости удельного импульса двигательной установки от скорости полёта для различных типов двигательных установок. Возможность создания самолётов, способных преодолеть рубеж скорости М_п=3, определяется, прежде всего, возможностью создания соответствующих силовых установок. Институт № 2 МАИ имеет уникальный опыт изучения рабочего процесса и разработки конструкций двигателей высокоскоростных летательных аппаратов. Отметим лишь некоторые, наиболее важные из выполнявшихся работ в области обеспечения полёта с сверхвысокими скоростями полёта.

Детально изучены проблемы организации горения при сверхзвуковых скоростях потока в камере сгорания. Исследовались различные виды топлива: водород, керосин, метан. Разработаны различные способы охлаждения, создан уникальный экспериментальный исследовательский стенд, оснащённый самыми передовыми методами измерения, который позволяет не только изучать физику горения, но и проводить испытания конструктивных элементов, образцов материалов в условиях высоких температур и скоростей потока. Исследовались проблемы разработки высокоскоростных прямоточных двигателей с твёрдым топливом, турбопрямоточные силовые установки, методы тепловой защиты, при этом использовались как экспериментальные методы исследования, так и передовые вычислительные методы.

Исходя из теоретических положений и имеющегося у коллектива специалистов института № 2 МАИ опыта, очевидно, что летательный аппарат, способный осуществлять управляемый полёт в зависимости от поставленной задачи в диапазоне скоростей от М_п=0 до М_п=4–6, должен иметь турбопрямоточную силовую установку. В классе прямоточных двигателей больших скоростей полёта решены многие проблемы для чисел М_п=3,5 и выше, но они применяются в ракетной технике и являются, по существу, изделиями однократного применения. В то же время для турбопрямоточных двигателей будущих высокоскоростных самолётов имеется ряд вопросов, до сих пор не имеющих сколь-нибудь однозначного решения. По нашему мнению:

• необходимо иметь конструкционные материалы, способные выдерживать длительное время высокие температуры; это относится, в том числе, и к элементам конструкции, ранее считавшимися «холодной частью» двигателя;
• следует разработать принципиально новую систему охлаждения двигателя, так как воздух при таких скоростях полёта уже не может использоваться в качестве охладителя;
• необходимо создать принципиально новые способы обеспечения энергией как борт летательного аппарата, так и систему управления силовой установкой, поскольку традиционный способ получения энергии от вращающегося ротора газотурбинного двигателя становится невозможным из-за того, что при высоких скоростях полёта газотурбинная часть турбопрямоточного двигателя должна будет быть перекрыта от набегающего потока воздуха и остановлена;
• необходимо решить проблему повторного запуска газотурбинного двигателя при возвращении летательного аппарата, что может оказаться проблематичным после длительного полёта на большой скорости и высокой температуры конструкции, а так как ротор будет остывать медленнее статора, то возможно заклинивание ротора; очевидно, что эти вопросы нуждаются в серьёзном изучении.

2. В классе двигателей для дозвуковой гражданской авиации, которая в обозримом будущем (горизонт планирования — 20–30 лет), по нашему мнению, останется основным видом коммерческих авиационных перевозок, несмотря на развитие технологий сверхзвуковой пассажирской авиации, основными критериями оценки совершенства двигателей наряду с экономичностью будут экологические показатели. Для специалистов института № 2 МАИ очевидно, что этим новым вызовам может соответствовать гибридный электротурбореактивный двухконтурный двигатель или электротурбовинтовой двигатель.

Для разработки гибридных двигателей необходимо также решить большое количество конструкторских и технологических проблем. Мы видим, в качестве первоочередных, следующие:

• необходимо исследовать и оптимизировать схемы гибридных силовых установок (ГСУ), применительно к различным типам летательных аппаратов; характеристики электрических машин;
• создать эффективные системы криогенного охлаждения таких установок.

Уже сегодня специалисты Московского авиационного института приступили к работам по гибридным силовым установкам. Эти работы проводятся в кооперации с отечественными предприятиями, а также согласованы планы по международным проектам с ведущими мировыми компаниями и университетами по программам IMOTHEP и FUTPRINT.

Юрий Равикович, проректор по научной работе МАИ, заведующий кафедрой «Конструкция и проектирование двигателей», доктор технических наук, профессор

Алексей Агульник, заведующий кафедрой «Теория воздушно-реактивных двигателей» МАИ, доктор технических наук

АвиаСоюз / февраль-март / 2020