ЦИАМ – 95: ИСТОРИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Аннотация. Статья посвящена истории и современным функциям Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) – ключевой научно-исследовательской и проектной организации российской авиапромышленности. Рассматривается путь института от основания в 1930 году до настоящего времени: роль ЦИАМ в создании и доводке двигателей различных поколений (М-34, АН-1, Д-30, РД-33, ПД-14 и др.), участие в развитии реактивной и турбореактивной техники, внедрение вычислительных методов и нормативной базы, а также вклад в сертификацию и испытания двигателей на высоких и климатических стендах. Акцент сделан на стратегической роли института как головного НИИ авиадвигателестроения и на перспективах – переход к гибридным, электрическим силовым установкам, импортозамещению и развитию двигателей для авиации будущего. 

Авиационный двигатель – одно из самых наукоемких и высокотехнологичных технических устройств. Именно поэтому жизненный цикл его разработки занимает намного больше времени, чем разработка самолета, а способность создавать и производить авиационные двигатели становится признаком сверхдержавы.

Отечественная авиадвигателестроительная отрасль гармонично функционировала и развивалась благодаря деятельности научно-исследовательских институтов. Одним из них стал Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»).

Вот уже 95 лет ЦИАМ – единственная в России научная организация, осуществляющая полный цикл исследований для создания авиационных двигателей и газотурбинных установок на их основе, а также научно-техническое сопровождение изделий в эксплуатации.

ЦИАМ создавался в ответ на острую необходимость молодой Страны Советов в появлении собственного серийного авиационного моторостроения: оживить «крылатую» технику могли только мощные отечественные «пламенные» сердца. Но только изобрести и сконструировать их было мало. Моторы нужно было постоянно совершенствовать, улучшать, стремиться не просто вслед убегающему горизонту технологического прогресса, а к его опережению. Это было под силу только тем, кто обладал способностью видеть на перспективу – людям науки.

В качестве доказательства того, что решить целый комплекс сложнейших вопросов на стыке самых разных областей науки и техники в таком деле, как создание эффективных конкурентоспособных двигателей, силами только производственных предприятий было невозможно, стал ряд неудач, постигших первые советские моторы. Их путь заканчивался на заводских дворах. Необходимы были наука и научно-исследовательский центр, который бы осуществлял методическое и экспериментальное сопровождение создания двигателей.

3 декабря 1930 года по решению Реввоенсовета СССР в Лефортово приступил к работе Институт авиационных моторов. Он был сформирован путем слияния Отдела авиационных моторов (ОАМ) ЦАГИ с отделом опытного моторостроения завода № 24 (нынешний Производственный комплекс «Салют» АО «ОДК» (ПК «Салют» АО «ОДК»)). В 1932 году ИАМ был переименован в Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ).

Задачи перед ИАМ были поставлены большие. Согласно стратегическому плану СССР на первую пятилетку развития народного хозяйства, требовалось обеспечить «достижение темпов роста гражданской авиации уровня передовых капиталистических стран, организацию производства моторов отечественной конструкции и отказ от импорта иностранных моторов, значительное расширение опытного строительства для поиска самолетов лучших типов».

В ИАМ создаются два конструкторских подразделения: отдел бензиновых двигателей, который в 1931 г. возглавил В. Я. Климов, и отдел нефтяных двигателей под началом А. Д. Чаромского.

Спустя небольшой период времени с момента образования ЦИАМ доведены до совершенства самый мощный на тот момент авиадвигатель СССР, бензиновый М-34 (конструктор А. А. Микулин) оригинальной блочной конструкции, по ряду характеристик превосходивший западные моторы. В 1937 он поднял в воздух самолет АНТ-25, совершившего первый в мировой истории беспосадочный перелет из Москвы через Северный полюс в Америку. В 1936 году на свет появился мощный дизель АН-1 (конструктор – А. Д. Чаромский).

Два этих знаменитых мотора легли в основу семейств серийных двигателей, применявшихся на многих истребителях и штурмовиках, дав начало целой серии различных модификаций. Так, М-34 стал предтечей двигателя не только для штурмовика Ил-2, но и для четырехмоторного тяжелого бомбардировщика дальнего действия Пе-8, участника первой бомбардировки гитлеровского Берлина. Технологии АН-1 были применены в В-2 – «сердце» легендарного танка Т-34.

В 1933 году ЦИАМ было присвоено имя Петра Ионовича Баранова, заместителя наркома тяжелой промышленности и начальника Главного управления авиационной промышленности, сыгравшего важную роль в развитии отечественного моторостроения и создании Института. 

К 1935 году ЦИАМ окреп, стал мощной научно-исследовательской организацией, оснащенной установками по изучению и доводке рабочего процесса, разработке и созданию новых типов агрегатов наддува – многоскоростных нагнетателей, турбокомпрессоров. С этого же года основная часть конструкторских работ передается во вновь образованные ОКБ, большинство из которых возглавляют выдающиеся ученые и конструкторы, работавшие в ЦИАМ: В. Я. Климов, А. А. Микулин, В. А Добрынин и другие. Главная задача ЦИАМ – обеспечение промышленности научно-технической и экспериментальной поддержкой и определение перспектив дальнейшего развития двигателестроения. От проектирования отдельных двигателей Институт переходит к НИР по общим вопросам двигателестроения: рабочий процесс, прочность, система управления, топливоподача, нагнетатели и др.

В период Великой Отечественной войны силы ЦИАМ были сконцентрированы на помощи фронту: специалистов Института привлекли к работе в конструкторских бюро, на серийных заводах. Обладая особым научным мышлением, кругозором в части конструкций и прочности, циамовцы оказывали разработчикам и производственникам техническую и методическую помощь в создании поршневых моторов для отечественных истребителей и штурмовиков, повышении их высотности. Отметим, что за работу ЦИАМ в годы Великой Отечественной войны Институту был присвоен Орден Ленина. 

Однако работа ЦИАМ не ограничивалась только актуальными в то время научными проектами. Институт работал на перспективу. Именно в его стенах такие известные конструкторы, как А. М. Люлька, В. Н. Челомей, В. В. Уваров, К. В. Холщевников, создавали двигатели новых схем и конструкций – реактивные. Именно научно-технический задел, созданный в ЦИАМ, в будущем позволил авиации в короткие сроки перейти на реактивную тягу в послевоенное время.

В обеспечение создания и испытания новых двигателей в 1953 году в подмосковном Лыткарино построен и приступил к работе филиал Института – Научно-испытательный центр ЦИАМ. И по сей день он является одним из крупнейших в мире экспериментально-исследовательских комплексов для испытания двигателей и их элементов.

Подтверждением достижений советской инженерной и научной мысли в небе стал самолет Ту-104. С 1956 по 1958 гг. этот самолет был единственным в мире реактивным пассажирским лайнером в эксплуатации. 

Феноменальный прогресс советского авиастроения стал возможен благодаря всесторонним исследованиям ЦИАМ, который помогал ОКБ создавать оригинальные, конкурентоспособные конструкции. Научные работы всесторонне исследовали конструктивные схемы и рабочие процессы в двигателях. Методы и теории, развивающиеся в стенах Института, не только определяли политику и методологию создания новых схем, но и предлагали конкретные рекомендации, передовые технологии и решения, отработанные в ЦИАМ. Так, К. В. Холщевников, основатель научной школы лопаточных машин, сформулировал фундаментальные положения теории двигателей и предложил эффективный способ согласования режимов работы компрессора и турбины.

М. М. Масленников разработал способ расчета ГТД со свободной силовой турбиной. Это обеспечило создание двигателей для вертолетов-рекордсменов Ми-6 и Ми-10.

Стоит отметить, что при разработке силовых установок практически для всех отечественных вертолетов использовались компетенции специалистов ЦИАМ. В 1962 г. двигатель ТВ2-117 поднял в небо вертолет Ми-8, самую массовую российскую «винтокрылую» машину. При его создании широко использовались рекомендации ЦИАМ.

Эпохальным событием для отрасли стал выпуск изданий «Нормы прочности газотурбинных двигателей» и «Руководство для конструкторов по расчету на прочность газотурбинного двигателя». Настольная книга прочнистов (в наст. время действует ее 6-ая редакция) была написана специалистами ЦИАМ, создавшими собственную научную школу, – Р. С. Кинасошвили, И. А. Биргером, В. Я. Натанзоном. На страницах изданий был обобщен весь накопленный практический опыт по созданию двигателей. Эти издания стали основополагающими нормативными документами, которые позволяли обеспечить требуемый ресурс и надежность газотурбинных двигателей.

Внедрение вычислительной техники в процесс проектирования ГТД началось в 1960-х гг. В Институте был создан вычислительный центр на базе двух высокопроизводительных по тем временам ЭВМ – М-20 и БЭСМ-3, которую в 1973 г. заменили на БЭСМ-6. При проведении испытаний стали широко применять устройства регистрации результатов на базе аналоговой и цифровой техники. В начале 1970-х гг. были заложены основы вычислительной механики ГТД, что позволило разрабатывать методики математического моделирования и начать разработку математического обеспечения системы автоматизированного проектирования газотурбинных двигателей.

С развитием уровня технологий возникали и новые задачи. Советские реактивные самолеты должны были летать дальше, потребляя при этом меньше топлива. Это заставило искать новые конструктивные схемы. В стенах ЦИАМ будущим академиком РАН и первым заместителем начальника Института О.Н. Фаворским были разработаны принципы и метод расчета двухвальных ТРД, в которых каскады низкого и высокого давления компрессора приводятся в действие отдельными каскадами турбины. Эти работы послужили предпосылкой для создания А.А. Микулиным двигателя Р11Ф-300 – рекордсмена своего времени по минимальному количеству деталей. Р11Ф-300 поднял в небо самый массовый в мире сверхзвуковой истребитель МиГ-21, установивший 17 мировых рекордов.  

Вскоре на первый план вышло требование по повышению экономичности двухконтурных двигателей. Главным фактором, определяющим прогресс двигателестроения, стал рост температуры газа. В связи с этим было необходимо принять меры по охлаждению горячей части двигателя, прежде всего лопаток турбины. Найти решения вновь помог ЦИАМ.

Еще в военные годы специалист Института О. И. Голубева предложила метод теплового расчета охлаждаемых лопаток турбин, основанный на собственных экспериментальных исследованиях. Проблематику подхватила и научная школа прочности Института. Под редакцией С. В. Серенсена вышел сборник «Прочность при повышенной температуре», в котором раскрывалась проблематика сохранения работоспособности двигателя при повышении температуры газа перед турбиной.

В 1975 г. в небо взлетел истребитель-перехватчик МиГ-31, который был способен достигать М = 3. Уникальной конструкцией отличался его двигатель – Д-30Ф6 – первый ТРДДФ четвертого поколения. Его экономичность достигалась за счет двухконтурности, а максимальную тягу обеспечивала форсажная камера со смешением потоков контуров. Двигатель такой схемы создавался впервые. 

Параллельно в ЦИАМ В. М. Акимовым и В. А. Сосуновым продолжается разработка методологии создания двигателей четвертого поколения – с большой степенью двухконтурности. Результаты исследований были использованы в работах по первому отечественному трехвальному двигателю Д-36 для самолетов Як-42, Ан-72, Ан-74. На высотных стендах Института в НИЦ ЦИАМ проводилась отработка рабочего процесса и эксплуатационных характеристик Д-36.

Кульминацией напряженной работы по созданию двигателей четвертого поколения стали АЛ-31Ф и РД-33. Их устанавливали на знаменитые истребители Су-27 и МиГ-29, соответственно.

Работа над двигателями была непростая. Специалисты ЦИАМ предложили к внедрению ряд технологических решений, которые позволили на порядок улучшить параметры силовых установок будущих истребителей. Например, был определен облик компрессоров двигателей нового поколения, проведены фундаментальные исследования их устойчивости к неоднородности газового потока на входе и при пусках бортового вооружения. Кроме того, была проведена оптимизация профилирования лопаток турбин высокого и низкого давления, даны рекомендации по стабилизации радиальных зазоров, а также разработано и испытано фронтовое устройство форсажных камер РД-33 и АЛ-31Ф.

Под руководством специалистов ЦИАМ выполнен большой объем доводочных испытаний этих двигателей и их модификаций. В результате были созданы двигатели с уникальными качествами: малым числом ступеней турбокомпрессора, низким удельным весом, устойчивостью к полету на больших углах атаки, простотой управления. На основе АЛ-31Ф создан АЛ-41Ф1 – двигатель первого этапа для российского истребителя пятого поколения.

В сегменте гражданской авиации определенной вехой стал двухконтурный турбореактивный двигатель ПС-90А, разработанный ОАО «Авиадвигатель» (сегодня – АО «ОДК-Авиадвигатель») для отечественных пассажирских самолетов Ту-204, Ту-214, Ил-96-300. Силовые установки этих лайнеров должны были удовлетворять международным экологическим требованиям по шуму и выбросу вредных веществ, а также благодаря умеренному расходу топлива быть конкурентоспособными на мировом рынке. 

Облик ПС-90А и его узлов определялся на основе рекомендаций и выводов ЦИАМ. С середины 1980-х гг. Институт отвечал за научное обеспечение доводки ПС-90А. Для того, чтобы двигатель такой размерности прошел все необходимые испытания, в 1985 г. был модернизирован один из высотных стендов НИЦ ЦИАМ. В 1992 г. после завершения комплекса работ и испытаний ПС-90А получил сертификат международного образца, подтверждающий соответствие требованиям ИКАО по эмиссии вредных веществ.

Приближалось непростое для нашей страны время перемен. К концу 1990-х гг. стало очевидно, что самому массовому пассажирскому лайнеру Ту-154, который уже устарел по сравнению с А320 и B737, требуется замена. Назрела необходимость в создании нового российского ближне-среднемагистрального самолета с отечественными двигателями. Так началась история создания двигателя пятого поколения ПД-14, в которой ЦИАМ была отведена значительная роль.

С начала 2000-х годов ЦИАМ начинает совместную работу с АО «Авиадвигатель» (ныне – АО «ОДК-Авиадвигатель») и АО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова» (ныне – ПАО «ОДК-Кузнецов») по формированию научно-технического задела применительно к семейству перспективных турбореактивных двухконтурных двигателей тягой 9–18 тонн.

В 2002 году ЦИАМ совместно с опытными конструкторскими бюро разработал два технических облика конкурентоспособных двухконтурных двигателей. Специалисты ЦИАМ спроектировали модельные узлы и элементы двигателей нового поколения и начали их экспериментальные исследования.

В 2008 году программа вышла на новый уровень. Под руководством Объединенной двигателестроительной корпорации (АО «ОДК»), в которую вошли профильные ОКБ и крупные промышленные предприятия, началась совместная работа с ведущими НИИ. Активное участие в ней продолжил принимать и ЦИАМ.

При создании ПД-14 использовались разработанные в ЦИАМ нормативные документы – «Нормы летной годности маршевых двигателей», «Руководство для конструкторов по испытаниям авиационных двигателей на высотных и климатических стендах», в том числе в обеспечение сертификации двигателей в соответствии с требованиями Авиационных правил и вновь разработанными методиками.

Значительная часть испытаний была выполнена на стендах НИЦ ЦИАМ в Лыткарино. Впервые в отечественной практике проведен полный цикл огневых исследований и испытаний ПД-14, подтвердивших его пожарную безопасность.

Ускорению процесса сертификации способствовало создание и аккредитация в 2017 году Сертификационного центра ЦИАМ.

Осенью 2018 года АО «ОДК-Авиадвигатель» получил сертификат типа на двигатель ПД-14. За вклад в его разработку сотрудники ЦИАМ были отмечены наградами Минпромторга России.

Совместная работа с промышленностью по созданию нового двигателя в современных условиях подтвердила функции ЦИАМ как головного НИИ авиадвигателестроения и государственного научного центра: формирование опережающего научно-технического задела, без которого невозможно создание конкурентоспособной техники нового поколения; научно-техническое сопровождение ОКР по конкретным двигателям; обеспечение их сертификации.

Для каждого из них потребуются новые технические и инженерные решения, которые позволят получить существенные выигрыши по массе, габаритам, топливной эффективности. В этой борьбе за каждый килограмм и процент улучшения параметров обязательным условием становится широкое использование новых материалов – композитов, интерметаллидов, а также аддитивных технологий. На первый план выходит и изучение новых видов топлив для перспективных двигателей (водород, ненефтяные топлива).

Кроме того, широко развернуты работы по созданию «сухих», «более электрических», «неметаллических», «интеллектуальных» малоразмерных ГТД. Все это требует переосмысления уже существующего опыта, тщательных фундаментальных, поисковых и прикладных исследований.

При этом разработанные решения, экспериментально подтвержденные в реальных испытаниях демонстрационных узлов и систем, должны обеспечить создание семейств двигателей гражданской авиации на основе унифицированных газогенераторов и внедрение новых технологий при модернизации существующих авиационных газотурбинных и поршневых двигателей.

Также ЦИАМ в тесной кооперации с предприятиями ОДК и ОАК работает над двигателем ПД-8: в рамках программы импортозамещения он будет устанавливаться на самолет SJ-100. Институт проводил ряд исследований и испытаний, в том числе на газодинамическую устойчивость узлов компрессора, на отработку ряда систем двигателя.

Широким фронтом развернуты работы по созданию двигателей для тяжелой транспортной авиации и винтокрылой техники, в которых Институт также принимает активное участие.

Институт занимается формированием обликов и концепций силовых установок с двигателями 6 поколения для летательных аппаратов разного назначения. В частности, разрабатываются технологии для авиации будущего, направленные на создание гибридных и электрических силовых установок, обеспечивающих кардинальное улучшение характеристик летательных аппаратов.

Помимо этого, большой задел на будущее ЦИАМ делает в обеспечение создания силовых установок для сверхзвукового делового пассажирского самолета. Для того, чтобы обеспечить сверхзвуковому пассажирскому самолету устойчивую и безопасную работу его двигателя необходимо внедрение новых систем, агрегатов, инновационных технических решений, пересмотр облика силовой установки. Сложность решения этой задачи обусловлена как раз широким диапазоном условий и режимов работы силовой установки, высоким влиянием сверхзвуковой скорости полеты на параметры рабочего процесса, сложностью интеграции силовой установки с планером, жесткими экологическими ограничениями.

Именно поэтому в ЦИАМ разрабатываются методики создания технического облика силовой установки сверхзвукового самолета: вместе с методами математического моделирования они обеспечат повышение качества и информативности исследований, а также выбор рациональных проектных параметров и законов управления силовой установкой.

За 95 лет ЦИАМ, как и отечественная авиация и авиационная наука, прошел большой путь и серьезные испытания на прочность. Главным итогом можно назвать то, что промышленные предприятия и отраслевые институты смогли сохранить свой опыт, наработанные компетенции и кооперацию в создании таких наукоемких и высокотехнологичных изделий, как авиационные двигатели. При этом стало очевидно, что государственная поддержка высокотехнологичных проектов – обязательное условие для их реализации.

.

Ключевые слова: ЦИАМ, авиационное моторостроение, двигатели, сертификация, НИЦ, М-34, АН-1, Д-30, РД-33, ПД-14, вычислительная механика, импортозамещение, гибридные двигатели, авиационная промышленность, технология двигателестроения, авиадвигателестроение, промышленная политика в РФ.