Авиация: Русские обходят американцев на повороте

«Сатурн» испытал образец детонационного двигателя, аналог которого General Electric обещает показать 2019 году

Опытно-конструкторское бюро имени Архипа Михайловича Люльки, входящее в состав научно-производственного объединения «Сатурн», презентовало на недавнем форуме «Армия-2017» прототип пульсирующего с частотой от 15 до 20 кГц детонационного двигателя, который разрабатывается под началом генерального конструктора-директора ОКБ Евгения Марчукова.

Суммарно эта силовая установка проработала порядка 100 часов, причем в одном испытании — 10 минут. Это значительно больше, чем все известные зарубежные аналоги.

Речь идет о принципиальном улучшении по сравнению с традиционными воздушно-реактивными силовыми установками. Это значит, что в России появилась реальная перспектива создания самолетных двигателей с крейсерским сверхзвуковым режимом полета и способных вывести самолеты за пределы атмосферы, в том числе и перспективный МиГ-41.

О том, что в России активно ведутся такие работы, впервые стало известно еще в марте 2011 года со слов Ильи Федорова, тогда еще управляющего директора НПО «Сатурн». А через год после этого уже научно-исследовательская лаборатория ВМС США заявила о начале создания своего ротационного детонационного двигателя, который должен прийти на замену газотурбинных силовых установок на военных кораблях.

Что интересно, мировые СМИ, в том числе и российские либеральные издания, уже трубят о европейских корнях этого направления, мол, идея пульсирующей воздушно-реактивной струи принадлежит шведскому инженеру Мартину Вибергу, который еще в конце 19 века описал способ использования серии микровзрывов для движения.

В реальности концепцию детонационного двигателя с теми базовыми постулатами, который используются сегодня, описал в 1940 году советский физик Я. Б. Зельдович, опубликовавший статью «Об энергетическом использовании детонационного сгорания». Это, как говорится, к слову. По сути же важен не столько автор простейшего, в принципе, движка, сколько — сложнейшие инженерные решения и фундаментальные знания, которые позволят обуздать энергию высокочастотных взрывов газов или горючих смесей в интересах поступательного движения.

Дело в том, что именно сегодня возникла острая необходимость в принципиально новых силовых установках для авиации (и не только). К примеру, удельный расход топлива региональных и магистральных самолетов при крейсерских скоростях составляет 0.49−0.63 кг/ кгс ч (килограмм (топлива) на килограмм-силы (тяга) в час — авт.), но в классических газотурбинных двигателях (ГТД) осталось не так уж много резервов для улучшения этого показателя. То же самое можно сказать о турбинах для кораблей и электростанции.

С одной стороны, разработчики могут сколько угодно повышать давление в цикле и температуру газа перед турбиной, а также наращивать степень двухконтурности. С другой — за достигнутые очень небольшие улучшения придется платить неоправданно большую цену. Иначе нельзя будет обеспечить высокие стандарты надежности основных деталей и узлов. Проще говоря, снижение удельного расхода топлива на 1−2% приведет к удорожанию ГТД примерно на четверть и, самое неприятное, настолько же уменьшит его ресурс.

По этой причине КПД новейших газотурбинных двигателей фактически достиг своего потолка, несмотря на агрессивную саморекламу ведущих компаний. Так, эффективность компрессора ГТД уже добрый десяток лет держится на уровне 86−88%, а эффективность турбины — 88−90%, причем при проектных условиях. Эти показатели могут быть лучше только у идеального движка, работающего в простом цикле Брайтона/Джоуля вообще без каких-либо потерь, что невозможно.

И в самом деле, если же посмотреть на индикаторы развития авиационных программ ведущих корпораций и вывести за скобки прототипы и образцы новых силовых установок, становится ясно, что человечеству, с большой долей вероятности, долго придется летать на сегодняшних газотурбинных двигателях. Безусловно, их будут модернизировать, внедряя новые композиты и сплавы, и оснащая сверхточными датчиками и цифровыми системами контроля.

Ситуация может измениться лишь тогда, когда будут созданы и, главное, сертифицированы по международным стандартам авиационные силовые установки неклассической газотурбинной схемы: в первую очередь — движки с детонационным горением, а также — турбовинтовентиляторные двигатели с биротативными винтовентеляторами и с приводами нескольких вентиляторов. Когда это произойдет — только богу известно. Во всяком случае, ответственные разработчики призывают не торопиться с прогнозами.

В частности, Энтони Дин, сотрудник научно-исследовательского центра компании General Electric в Нискэйуне, что под Нью-Йорком, рассказал, что сейчас его корпорация сосредотачивает главные усилия для предупреждения нештатных ситуаций в турбинах. Также он сообщил о проекте детонационного движка, работающий (стабильно) прототип которого будет показан 2019 году — на 2 года позже образца ОКБ имени Люльки.

Что касается семейства разработанных ГТД, то они будут совершенствоваться компанией General Electric в соответствии с уже имеющими наработками.

«В нынешних газотурбинных движках вращающиеся лопасти подвергаются воздействию горящего газа, температура которого превышает на 500 градусов точки плавления используемых в сплавах металлов», напоминает Энтони Дин. Но все это мелочи по сравнению с ударной волной, которая распространяется в камере сгорания со сверхзвуковой скоростью — более 1 км/с и частотой 20 кГц. В таком режиме даже самый надежный стрелковый автомат не продержится тысячной доли секунды. Чтобы разрешить эту проблему, потребуются новые знания в фундаментальных науках.

По мнению представителя General Electric, пульсирующие детонационные двигатели не пригодны к использованию в качестве газогенераторов в газотурбинных установках, поскольку высокочастотные пульсации приведут к быстрому разрушению лопаток турбины. Впрочем, далеко не факт, что американцы делают ударение только на ротационных (спиновых) детонационных двигателях. В США вообще прекратились какие-либо научные публикации по этой тематике примерно три-четыре года назад, что свидетельствует о живом интересе Пентагона.

Стоимость этих работ тоже засекречена, но заокеанские источники напоминают, что только на создание прототипа ГТД GE90 General Electric потратила $ 2 млрд. Учитывая, что детонационные двигатели базируются на новых принципах, то и денег на их разработку, наверняка, потребуется на порядок больше. Короче, это удел — экономических держав.

Сегодня над проблемой детонационных двигателей трудятся немецкая компания SIEMENS, французская SNECMA, американские General Electric и Pratt & Whitney и российский «Сатурн». По факту, в этой области продолжается начатая еще в 80-х годах прошлого века борьба за лидерство. Тогда на первом месте был СССР, потом в 90-е пришло время немцев, которых в «нулевых» подвинули американцы. И вот теперь Россия возвращается в число ведущих разработчиков новых авиационных двигателей.

Сегодня заокеанские разработчики бьются над тем, чтобы получить стабильно работающий прототип. В то же время испытанный ОКБ имени Люльки детонационный двигатель, повторим, успешно работает 10 минут. Кроме того, российские разработчики сообщили о положительных результатах по регулированию тяги. Таким образом, наши ученые и инженеры обошли американцев, что называется, на повороте. Однако до финиша еще далеко.