Детонационный двигатель, в котором топливо детонирует, а не горит, в теории характеризуется рекордной удельной мощностью. «За этим будущее», – считает генеральный конструктор – директор ОКБ им. А. Люльки Евгений Марчуков. В своем докладе на заседании Бюро Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН руководитель ведущего российского ОКБ по двигателям для боевой авиации рассказал об участии институтов РАН в работах по перспективным проектам, включая эксперименты с детонационными двигателями.

Взрывной эффект

В настоящее время основной движущей силой современной авиации является газотурбинный двигатель (ГТД). Но несмотря на все усилия конструкторов и ученых, этот тип силовых установок подходит к пределу своего развития.

«Конечно, ГТД еще будут летать – и до 2050 года, и дольше, но предел уже виден, – считает Евгений Марчуков. – А что же дальше?»

Перспективу глава ОКБ им. А. Люльки видит в детонационных двигателях. Условно говоря, идея заключается в том, чтобы топливо не сжигать, а взрывать. Мощность тепловыделения при детонации, то есть взрыве, существенно выше, чем при горении. Кроме того, в отличие от продуктов горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией. Благодаря тому, что детонация топлива происходит примерно в 100 раз быстрее, чем при обычном медленном горении, такой тип двигателя теоретически характеризуется рекордной мощностью, снимаемой с единицы объема.

Проблема в том, как контролировать детонацию. Выделяют два подхода (см. слайд выше). Можно осуществлять серию микровзрывов порций топлива в резонаторах специальной формы. Тяга в таком случае получается не за счет истекания продуктов горения сквозь сопло, а за счет того, что ударная волна от детонации взаимодействует с донной поверхностью резонатора как с препятствием и передает ей импульс от сил избыточного давления. Другой способ заключается в том, что детонация происходит в камере сгорания в виде сверхзвуковой ударной волны.

«Мы начали эксперименты в этом направлении, и у нас разрабатывается две схемы: резонаторная, когда на выходе вместо привычного для реактивных двигателей сопла Лаваля ставится полусферический резонатор с радиальным подводом топливовоздушной смеси, и схема со спиновой детонацией, когда процесс детонации топлива организуется в виде вращающейся ударной волны», – рассказывает Евгений Марчуков.

Для создания экспериментального резонаторного двигателя (слайд выше) разработчики взяли прямоточный воздушно-реактивный двигатель изделия 52 (ракета класса «воздух-поверхность») и вместо сопла поставили несколько резонаторов полукруглой формы.

«Это неоптимальная конструкция, но тем не менее мы получили прирост удельной тяги в 60 % при снижении удельного расхода топлива на 30-50 %, – говорит Евгений Марчуков. – На обычных ГТД сейчас мы боремся за увеличение этого параметра хотя бы на 2-3 %, а здесь получили сразу 60 %. То есть это действительно новое слово, и такие двигатели можно использовать уже сейчас. По этому направлению мы работаем с Институтом механики МГУ и Институтом прикладной математики РАН».

Работу по двигателю со спиновой детонацией (см. слайд выше) ОКБ им. А. Люльки ведет с Институтом химической физики им. Н. Н. Семенова РАН.

Экспериментальная установка представляла собой малоразмерный ГТД, соединенный с форсажной камерой сгорания, в которой происходит детонация.

«Мы впервые осуществили детонационное горение на нашем основном авиационном топливе – керосине, – говорит Евгений Марчуков. – Пока этот процесс у нас длится считанные секунды, но любая дорога начинается с первого шага. За этим будущее, и мы буквально на днях договаривались продолжить эксперименты уже на полноразмерных двигателях. Эта тема крайне интересная и мы обязательно будем ее развивать».

Смена поколений

Детонационные двигатели – это пока достаточно отдаленная перспектива, а сегодня ОКБ им. А. Люльки продолжает работу над созданием классических ГТД 5-го и 6-го поколений.

Пример того, что могут дать технологии 5-го поколения, показывает ведущаяся в настоящее время в ОКБ разработка универсального ГТД боевой авиации. У него те же габариты, что и у АЛ-31Ф, двигателя 4-го поколения для семейства самолетов Су-27, составляющих основу нашей боевой авиации. Поэтому новый двигатель можно будет без переделки планера устанавливать на все эти самолеты. При этом его тяга увеличилась на 30 % при снижении удельного расхода топлива до 15 %, а назначенный ресурс планируется поднять до 6000 ч.

«Для внедрения этих технологий необходимо решить массу научно-технических проблем, от создания новых материалов до развития отечественного производства высокомощных импульсных лазеров для упрочнения, сварки, аддитивных технологий, – говорит Евгений Марчуков. – Все это требует серьезных научных исследований в сотрудничестве с институтами РАН».

В частности, с середины 1990-х годов развивается важная тема – газотурбинный привод для компрессорных станций газоперекачки на базе авиационных ГТД.

Одно из серьезных достижений этой разработки – малоэмиссионная камера сгорания с содержанием окиси азота в выхлопе не более 50 ppm (миллионных долей). Такой камерой оснащены 28 из 79 эксплуатируемых сегодня приводов разработки ОКБ им. А. Люльки.

«Сейчас мы пошли еще дальше и отработали камеры сгорания на синтез-газе, когда природный газ разлагается на СО и водород, после чего происходит его сжигание, что позволяет еще сильнее уменьшить выброс окиси азота – до величины менее 20 ppm, – рассказывает Евгений Марчуков. – Катализаторы для получения синтез-газа из метана разрабатывал Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, и это его заслуга, что эти катализаторы сейчас уже достаточно дешевы для промышленного использования этой технологии».

Камера сгорания, работающая на синтез-газе, уже проходит испытания. В четвертом квартале 2022 г. планируется провести испытание двигателя с такой камерой.

«В нынешних условиях создание таких отечественных установок для газоперекачки и энергетики – это тоже безопасность страны», – говорит Евгений Марчуков.

Огромный пласт работы связан с уменьшением радиолокационной (РЛ) заметности двигательных установок летательных аппаратов. Здесь важную роль играет сотрудничество с Институтом теоретической и прикладной электродинамики (ИТПЭ) РАН.

«Совместно с ИТПЭ РАН мы уже много лет исследуем вопросы радиолокационной заметности различных материалов, – рассказывает Евгений Марчуков. – Эти результаты использованы при создании изделий, которые уже прошли государственные испытания, то есть все эти результаты внедрены, а сейчас мы продолжаем с ИТПЭ РАН совместные работы по перспективным проектам».

Один из таких проектов – тяжелый беспилотник, который недавно был представлен широкой общественности под названием «Охотник».

«Интересный элемент его конструкции – плоское реактивное сопло, которое благодаря своей форме снижает инфракрасную (ИК) и радиолокационную (РЛ) заметность летательного аппарата. Впервые мы, двигателисты, делаем элемент самолета», – рассказывает Евгений Марчуков.

Часть конструкции, окрашенная на слайде выше серым цветом, на самом деле является частью планера, а не двигателя, но за ее разработку отвечает ОКБ им. А. Люльки. ИТПЭ РАН разработал для этого элемента высокотемпературное покрытие для поглощения РЛ-излучения, и сейчас отрабатывается способ его нанесения. Это исследование уже превращается в промышленную технологию.

До недавнего времени лишь США использовали плоское сопло в серийных летательных аппаратах. Усиленно работает в этом направлении Китай. Эта технология будет внедряться и в России.

«Плоское реактивное сопло мы разрабатываем и для перспективного двигателя, – рассказывает Евгений Марчуков. – Мы его уже испытали на стенде, а в ИТПЭ РАН провели испытания макетов на РЛ-заметность и получили неплохие результаты».

Радиолокационная заметность – сложная тема, требующая создания специфических расчетных методов.

«Очень серьезно мы работаем с Институтом вычислительной математики РАН по созданию программного комплекса расчета спецхарактеристик (заметности) силовой установки в широком диапазоне РЛ-излучения, – говорит Евгений Марчуков. – Проведена верификация созданных моделей, и сейчас их уже можно использовать при проектировании».

Есть и другие разработки институтов РАН, которые направлены на решение конкретных проблем, с которыми сталкиваются создатели авиадвигателей.

«Очень интересная работа ведется с Институтом теплофизики Сибирского отделения РАН и Новосибирским университетом, – продолжает рассказ Евгений Марчуков. – Мы создали оптический комплекс для измерений геометрических параметров выходного устройства работающего двигателя. Нам очень важно точно знать диаметр критического сопла и диаметр среза сопла, но на работающем двигателе их измерить крайне трудно. Для этого и был создан уникальный оптический комплекс, который основан на технологии машинного зрения. Сейчас он уже готовится к сертификации. Это серьезная работа, которая поможет нам доводить новые двигатели».

Работа на результат

В настоящее время ОКБ им. А. Люльки ведет работу по научно-техническому заделу для авиадвигателей 6-го поколения. По мнению Евгения Марчукова, чтобы эффективно решать научные-технические проблемы по его созданию (слайд ниже), необходима совместная работа с ведущими научными учреждениями страны.

Евгений Марчуков подчеркнул, что сотрудничество ОКБ им. А. Люльки и институтов РАН носит системный характер.

Работа с институтами Академии наук ведется в рамках научно-исследовательских (НИР) и опытно-конструкторских работ (ОКР). В рамках ОКР институты включены в перечень соисполнителей и обеспечивают проведение экспериментальных работ, результаты которых являются основанием для подготовки заключений институтов промышленности и Минобороны в рамках госиспытаний изделий.

Научно-исследовательские работы прикладного характера ведутся в рамках стратегии формирования научно-технического задела (НТЗ) за счет собственных средств ОКБ им. А. Люльки.

«Ежегодный объем финансирования составляет более 200 млн рублей, и мы намерены увеличивать эту сумму, – говорит Евгений Марчуков. – Работу с Академией наук мы хотим строить так, чтобы у нас разработки доходили до 6-го уровня готовности технологий, после которого можно начинать опытно-конструкторские работы. То есть это исследования не ради исследований, а ради получения результата».

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.