В Центральном институте авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) успешно прошла серия испытаний роторно-поршневого авиадвигателя нового поколения.

Предельно скучная для широкой публики новость приобретает, однако, особый вес, если учесть, что ЦИАМ – дедушка, отец и мать отечественного авиационного двигателестроения, а испытанная разработка создаётся при участии Фонда перспективных исследований (ФПИ) – финансовых «ясель» для перспективных оборонных разработок. Так что, хоть и не очень понятно, что нового могут добавить авиации поршневые двигатели в пору господства реактивных самолётов, но, очевидно, это «что-то» достаточно важно, коли для его изготовления объединяются мозги ЦИАМ и деньги ФПИ…

Мозги ЦИАМ и деньги ФПИ

Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова имеет статус государственного научного центра Российской Федерации, который проводит полный цикл исследований и разработок в области двигателестроения для авиации.

Полный цикл означает в данном случае счастливое соединение фундаментальных научных исследований и прогнозирования с исследованиями прикладными и итоговый переход к проектированию непосредственно узлов и систем авиадвигателей. Тот самый случай, когда бандам демократов не удалось в 1990-х годах сокрушить прикладную науку и обескровить тем самым науку фундаментальную, как это удалось сотворить во многих других направлениях отечественных научных исследований. Он же – ещё одно подтверждение того, что цивилизационный фундамент России тогда не расползся окончательно, как, например, на Украине, только благодаря оборонке и атомной промышленности. И то и другое оказалось слишком сложно и слишком нужно, чтобы растворить их в царской водке тотальной приватизации.

В общем, не без трудностей, но ЦИАМу, созданному в 1930 году, удалось сохранить интеллектуальную, исследовательскую и техническую связь между прошлым и будущим. И там, где некогда легендарные конструкторы объёма А.А. Микулина и А.Д. Чаромского создавали механические «сердца» для легендарных самолётов от АНТ-25 и Ил-2 до МиГ-21 и Ту-95, сегодня люди не меньшего объёма творят двигатели для гиперзвуковых летательных аппаратов и первенцев возрождающегося гражданского авиастроения России, как перспективный лайнер МС-21. Не говоря уже о том, что на стендах испытательного центра ЦИАМ испытывались или проходили доводку практически все отечественные авиационные двигатели.

Ну, а про Фонд перспективных исследований всё исчерпывающе сказано в официальных документах: государственный фонд, целью которого является содействие осуществлению научных исследований и разработок в интересах обороны России и безопасности государства. Так что синергия двух таких, хм, «учреждений» обещает – должна обещать – достаточно серьёзный эффект.

Эффект от поршневого в эпоху реактивных

«Объект устойчиво работал на основных режимах на протяжении четырёх часов. Были пройдены основные контрольные точки, предусмотренные программой испытаний», – рассказал заместитель начальника отдела ЦИАМ Михаил Ступеньков.

Что это означает, разъяснили специалисты, реально понимающие существо вопроса. Основной результат этих испытаний, пояснил один из таких источников, в том, что удалось подтвердить высокую износоустойчивость элементов двигателя из композитных материалов нового поколения – из так называемых интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов.

Дело в том, что роторно-поршневый двигатель – а это проводились испытания его демонстратора с использованием композиционных материалов и покрытий нового поколения, – при своих несомненных энергетических и экономических достоинствах обладает некоторыми принципиальными недостатками. Вернее, даже одним принципиальным: быстрый износ уплотнителей на высокой скорости вращения вала.

Тут нужно вспомнить саму конструкцию двигателя. Это тоже двигатель внутреннего сгорания, но, в отличие от обычного поршневого, здесь цикл впрыск – сжатие – зажигание – расширение – работа проходит в цилиндре специального профиля, где вращается трёхгранный ротор. В силу «неправильного» профиля и цилиндра, и ротора, газо-топливная смесь в определённом объёме впускается, затем одна из граней ротора отсекает эту «порцию», прижимает её к стенке цилиндра, отчего происходит уплотнение смеси. Тут же следует зажигание, и «треугольник», вращаясь дальше, выпихивает смесь на выход.

В общем, в основе – известный двигатель Ванкеля, позволяющий осуществлять 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Это сильно упрощает конструкцию двигателя за счёт на порядок меньшего количества деталей, нежели в поршневом, делает его компактным (в два раза меньше аналогичного поршневого) и обеспечивает ему высокие динамические характеристики и высокую удельную мощность. Очень грубо можно сравнить один рабочий цикл с работой двухцилиндрового поршневого двигателя.

Но при этом давление между трущимися поверхностями приводит к быстрому износу соответствующих частей и нагреву двигателя. Износ же уплотнителей вызывает утечки, токсичность выхлопа и в целом падение КПД.

Добрый доктор – керамический пластик

Вот этот недостаток и призвано было устранить применение в двигателе керамических деталей нового поколения, изготовленных к тому же с применением высокоточных технологий 3D-печати. Проведённые же испытания как раз и показали пренебрежимо малый износ соответствующих элементов. И второе – испытана, и тоже с успехом, специально разработанная система турбонаддува с охлаждением воздуха (вспоминаем про недостаток высокого разогрева двигателя), а также новая электронная система управления. Она создана практически с нуля.

«Благодаря этим решениям удалось значительно, примерно вдвое, повысить мощность двигателя по сравнению с ранее разрабатывавшимися в России роторно-поршневыми двигателями», – приводит ТАСС строки из официального сообщения ФПИ, у которого в ЦИАМ имени П.И. Баранова существует отдельная лаборатория, как раз и нацеленная на разработки авиационных двигателей с использованием керамоматричных композиционных материалов.

Керамоматричные композиты – это целый класс материалов, обеспечивающих износоустойчивость механизмов, в которых их применяют. А это не только двигатели для самолётов и автомобилей, но и огромная номенклатура газонефтедобывающего оборудования, компрессоров на перекачивающих станциях, а также, надо полагать, значительная часть вообще любого механически движущегося оборудования в производственной сфере. Применение здесь композитных материалов в значительной степени увеличивает эффект борьбы с теми или иными последствиями механического трения, но полностью ситуацию не спасает. Большинству из таких материалов присущи фундаментальные недостатки в форме повышенной «разрушабельности» – низкой устойчивости при ударных нагрузках, научно говоря.

И вот как раз керамоматричные композиционные материалы позволяют избавиться от этих недостатков, так как их керамическая матрица армирована углеродными волокнами. Благодаря этому достигается высокая противоударная прочность, но в то же время определённая гибкость по отношению к различным напряжениям и высокая устойчивость к дефектам микроструктуры. Получается что-то вроде керамического пластика, хотя специалисты и морщатся при подобном сравнении.

Что же получается в итоге?

До итогов пока далеко. Но в перспективе уже кое-что видно. Во-первых, российское моторостроение получает в перспективе двигатель на основе двигателя Винкеля, но с фантастическими характеристиками и надёжностью. Понятно, что после авиации (кстати, ведь вертолёты у нас далеко не реактивные) лапу на них наложит автомобильная промышленность, нефтянка, энергетика. Во-вторых, в ходе нынешних и будущих испытаний будет выдана к применению технология использования в моторах керамоматричных материалов, что и позволяет уже сегодня говорить о двигателях нового поколения.

В общем, есть перспектива того, что Россия станет родиной лучших двигателей мира.