Центральный институт авиационного
моторостроения имени П.И. Баранова
Rus
Авиационные поршневые двигатели XXI века

Авиационные поршневые двигатели XXI века

1 Декабря 2017

До середины прошлого века поршни и цилиндры оставались главным источником лошадиных сил для крылатых машин, но затем пламенные сердца авиации завоевала турбина. Однако старая любовь не ржавеет. На рубеже веков возникла потребность возрождения поршневого авиадвигателестроения в России. И вновь, как и в 1930-х годах, движущей силой этого процесса стал ЦИАМ. О том, что собой представляет авиационный поршневой двигатель (АПД) XXI века, рассказывает начальник отдела «Авиационные поршневые двигатели» ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»), кандидат технических наук Лев Аронович Финкельберг.

С чем связана активизация работ по АПД в ЦИАМ?

Это направление в ЦИАМ никогда не угасало, хотя, конечно, после перехода Института на реактивную тематику в конце 1940-х годов объем работ по поршневым двигателям резко сократился, и они проводились в основном по двигателям, серийный выпуск которых продолжался. К началу 1980-х годов в производстве остались только АШ-62 для Ан-2 и М-14П для учебно-тренировочных и спортивно-пилотажных самолетов Як-18, Як-52, Су-26.

Однако в 1980-е годы началось развитие беспилотной авиации, в связи с чем в ЦИАМ был создан сектор поршневых двигателей. Они оказались востребованными в беспилотных летательных аппаратах (БЛА) среднего класса со взлетным весом до тонны. Для аэрофотосъемки и мониторинга высокие скорости не нужны, а требуется малый удельный расход топлива, и поршневые двигатели как раз обладают этим качеством. При мощностях до 500 л.с. и при полетном цикле продолжительностью более 5 часов на сегодняшний день они успешно конкурируют с газотурбинными двигателями. Поршневые двигатели немного проигрывают ГТД по массе, но за счет меньшего расхода топлива суммарная масса двигателя и горючего на борту при достаточно длительном полете получается меньше. Еще одним большим преимуществом является то, что час эксплуатации АПД обходится дешевле, чем эксплуатационный час ГТД.

А как выглядят поршневые двигатели в сравнении с электрическими?

Хотя сами электродвигатели достаточно компактны, оборудование для их работы — аккумуляторы и другое — пока еще слишком тяжелое. Если полетный цикл короткий, то использование электрического двигателя оправдано, но при длительном цикле АПД выигрывают. Заряда аккумуляторов надолго не хватает, или надо возить на борту тяжелую и сложную энергоустановку для их подзарядки. Перспективным направлением, которым мы сейчас будем заниматься, являются гибридные силовые установки: поршневой двигатель вращает генератор, а тот — питает электродвигатель. Так легче создать распределенную силовую установку: когда несколько электродвигателей с винтами размещаются на крыльях или в других местах на планере. Электрическая трансмиссия в таком случае проще и легче, чем механическая, что дает возможность создавать ЛА любых схем, на которые только хватит фантазии конструкторов.

Еще одна интересная возможность состоит в том, чтобы снабдить поршневой двигатель электромотором, который будет давать дополнительную мощность на взлете и работать как генератор в полете. Благодаря этому не придется делать переразмеренный поршневой двигатель, который на 100% используется только на взлете.

В мире накоплен гигантский опыт по автомобильным поршневым двигателям. Зачем нужны еще какие-то разработки? Чем отличается АПД от обычного автомобильного ДВС?

АПД от автомобильных двигателей отличается, прежде всего, режимом работы. Автомобильные ДВС, хотя и рассчитаны до 6000 оборотов, работают в основном в диапазоне до 2500-3000 оборотов, причем в динамике: трогание, разгон, торможение. АПД с точки зрения автомобильного мотора постоянно работает как бы в красной зоне, ведь его крейсерский режим — это 75% от взлетного. И при этих нагрузках необходимо добиться достаточного ресурса и надежности. В авиации другие нормы прочности, необходимо обеспечить ее запас, причем такой, какого нет у автомобилистов.

Кроме того, с точки зрения безопасности системы АПД должны быть дублированными, причем, если одна система отказывает, то вторая должна обеспечить падение характеристик не более чем на 2-3% от максимального режима. Соответственно, конструктивно в АПД многое выполняется иначе. К примеру, устанавливаются две независимые системы зажигания, у которых даже электропитание должно осуществляться от разных источников.

Далее, автомобильные двигатели, как правило, выполняются с масляным поддоном, а в авиации нужно обеспечить работоспособность маслосистемы при крене и тангаже самолета. А уж обеспечение, к примеру, перевернутого полета — это вообще отдельная тема.

В авиации не так просто применить новые материалы. Для этого должна быть проведена большая работа по подтверждению всех характеристик материала, только после этого его вносят в реестр допущенных для использования в авиации. В автомобильной же промышленности это сделать проще.

Авиационный двигатель отличается от автомобильного еще и условиями эксплуатации: к примеру, вся агрегатика в автомобильной промышленности в основном рассчитана на температуру максимум до минус 40°С, а мы должны обеспечить минус 56°С. Это тоже предъявляет повышенные требования, особенно к электронике, резинотехническим изделиям и уплотнениям.

К АПД предъявляются очень жесткие требования, и когда мы приходим к автомобилистам и говорим, что в принципе ваш агрегат нам подходит, но нужно его доработать, то многие оказываются не готовы применять наземную технику в авиации. Для производителей автомобильных агрегатов, которые привыкли к заказам в миллионы единиц, наш рынок все равно достаточно узкий, поскольку мы говорим в лучшем случае о сотнях изделий в год. При этом доработок и испытаний надо проводить много, и ответственность тоже на порядок выше. Поэтому многие отказываются.

Условно говоря, авиационные и автомобильные двигатели схожи по принципу действия, но очень сильно отличаются по исполнению и агрегатам. Поэтому НИР и ОКР по ним нужно проводить отдельно.

Расскажите о работах ЦИАМ по АПД в 1990-е и 2000-е годы.

По беспилотникам в эти годы был создан комплекс с небольшим поршневым двигателем П-032 мощностью 32 л.с., который производился в Самаре на фирме «Кузнецов».

Кроме того, мы занимались модернизацией существующих двигателей типа М-14, изучали возможность применения впрысковой системы вместо карбюратора, занимались сертификацией. В то время мы как раз сертифицировали двигатель М-9Ф Воронежского механического завода, современную версию М-14П, которая устанавливалась на спортивных самолетах Су-26М.

Тогда же начиналась работа с «Сухим» по сельхозсамолету Су-38П с поршневым двигателем, но, к сожалению, она не получила логического завершения. Когда было безвременье, то все схватились за идею возрождения малой авиации. Какие-то проекты были даже реализованы: «Молния-1», Ил-103, И-1Л, самолет-амфибия Л-6, тот же Су-38П. В 2000-е годы разрабатывались и вертолеты с поршневыми двигателями: Ми-34 под М-14В26В и «Актай» с роторно-поршневым двигателем ВАЗ-426. Оба вертолета летали.

Было время, когда заговорили о ренессансе малой авиации в России...

К сожалению, должного развития это направление не получило. Дело в том, что в 2000-е годы было порушено очень много наземной инфраструктуры, особенно это коснулось небольших аэродромов, которые как раз и нужны малой авиации. Создать летательный аппарат можно в достаточно короткие сроки, а вот быстро восстановить инфраструктуру сложнее. Но в последние годы появилась идея, что перевозки должны базироваться в крупном хабе и осуществляться так, чтобы можно было вернуться без дозаправки. То есть нужна просто взлетная полоса. Здесь тоже становится выгодным применение поршневой авиации, поскольку время полета превышает 4-5 часов.

Каково положение с производством АПД в России сегодня? Какие работы ведутся, и как в них участвует ЦИАМ?

На сегодняшний день, кроме М-14 в Воронеже, поршневые двигатели в России серийно не производятся. Однако потребность в них есть. В настоящее время ведутся ОКР по созданию двигателей в классе мощности 50 л.с., 120 л.с. и 300 л.с. По срокам мы немного отстаем, но, я думаю, в конце концов добьемся успеха, потому что АПД в этих классах востребованы и, я надеюсь, их появление даст толчок развитию гражданской малой и беспилотной авиации.

Задержки в разработке происходят по разным причинам, одна из них — отсутствие постоянных соисполнителей по агрегатам. В связи с этим ЦИАМ при проведении НИР фактически занимается налаживанием кооперации по разработке и производству АПД, хотя это не совсем наша обязанность. Но мы вынуждены этим заниматься, поскольку и в 1990-е годы, и сегодня возникает одна и та же проблема: после переориентирования авиации на ГТД потребность в поршневых двигателях сократилась до десятка двигателей в год, а это ударило не только по производителям самих двигателей, но и по поставщикам агрегатов. Никому не интересно производить 10-20 штук в год. Поэтому постепенно поставщики агрегатов в стране пропали. И нам пришлось, с чем мы и до сих пор бьемся, заниматься восстановлением инфраструктуры и кооперации производства АПД.

В 2012 году совместно с Гаврилов-Ямским машиностроительным заводом «Агат» мы сделали двигатель-демонстратор именно для отработки технологии и создания кооперации. Это 4-цилиндровый, 4-тактный двигатель мощностью 90 л.с., объемом 1400 см3 и с маркировкой ПД-1400. На основании этой разработки позже «Агат» открыл ОКР на двигатель этого класса мощности, и в этом проекте используется большая часть налаженной кооперации по агрегатам. Получилось, что ЦИАМ подвиг «Агат» и поставщиков агрегатов на разработку поршневых двигателей, поскольку в 2000-е проблема состояла и в том, что не было предприятий, готовых к работе в этой области.

Мы специально искали относительно небольшое предприятие, для которого эта продукция стала бы основной. К этому времени мы уже имели негативный опыт 1990-х годов, когда за разработку двигателя брались крупные фирмы, такие как Воронежский механический завод или Автоваз. Но потом, когда наладился основной бизнес, это направление им стало не интересно, и свои разработки они просто закрыли. Не потому, что у них что-то не получилось или не было заказчика. А потому, что это нерентабельно. Поэтому мы вынуждены были параллельно с разработкой двигателя искать основных исполнителей. Владимир Алексеевич Скибин, в то время руководивший Институтом, предложил директору завода «Агат» взяться за разработку. Дело пошло и успешно развивается. Так что можно сказать, что ЦИАМ является инициатором возрождения поршневого двигателестроения в России.

Расскажите о вкладе ЦИАМ в разработку АПД в других классах мощности.

50-сильный двигатель сейчас разрабатывается АО «КБ «Луч» в Рыбинске. Это двухтактный, двухцилиндровый оппозитный двигатель. К сожалению, у нас сохраняется не очень хорошая традиция: разрабатывать летательный аппарат начали раньше, чем двигатель, соответственно, пока пришлось применять импортный мотор. Сейчас стоит вопрос о его замещении, но конструктивно мы уже на него сориентированы, и другую схему предложить не можем. Мы вынуждены ее повторять, но предлагаем новые системы, ищем свои материалы, датчики, согласуем систему управления с летательным аппаратом. Кроме этого, большой объем работ по АПД ЦИАМ проводит в части испытаний в ожидаемых условиях эксплуатации, то есть в термобарокамере с имитацией высоты, температур и даже скоростей полета. Как правило, мы требуем, чтобы к нам на испытания приходила целиком силовая установка, то есть двигатель с воздушным винтом и капотом. В конце 1990-х годов мы специально для подобных испытаний разработали, изготовили и аттестовали винтовые стенды.

В ЦИАМ создавался и демонстратор дизеля мощностью 300 л.с. Это был НИР для отработки технологий. Необходимо было показать на демонстраторе, что эти технологии работают и доступны для промышленного производства в России. Был предложен вариант дизеля для беспилотного вертолета, по которому тот же «Агат» сейчас ведет ОКР как продолжение работы, начатой ЦИАМ по двигателю-демонстратору. ЦИАМ может вести только НИР, для ведения ОКР и освоения серийного производства необходимо получение дополнительных лицензий. Мы отрабатываем отдельные узлы, технологии, системы и доводим их до 5-го уровня технологической готовности, после чего, в случае получения положительного результата, принимается решение о продолжении работ на одном из предприятий промышленности.

Мы проводим расчеты, подбираем материалы, чтобы обеспечить необходимые надежность и прочность. При нашем участии была создана кооперация по изготовлению демонстратора, мы заказывали компоненты, по нашему техническому заданию их изготавливали, а сборку делали в ЦИАМ. Этими работами мы показали, что создать АПД в России можно.

Чем вызвано применение дизелей в авиации?

У дизеля расход топлива еще меньше, чем у бензинового мотора, и гораздо меньше, чем у ГТД. Не менее существенно, что дизель может работать на авиационном керосине, который производится массово, в то время как для бензиновых АПД требуется авиационный бензин. Автомобильным бензином его заправлять нельзя, так как в таком горючем очень много ароматических углеводородов, и на высоте он проявляет склонность к повышенному парообразованию, то есть закипанию. А авиационного бензина в России сейчас не стало, во-первых, потому что запретили добавлять тетраэтилсвинец, то есть этилированные бензины исчезли. Во-вторых, и это основное: нефтеперерабатывающим заводам невыгодно производить его в малых количествах. В результате, кто-то завозит бензин из Финляндии или Польши, и, естественно, он гораздо дороже, чем автомобильный бензин или авиационный керосин. Кто-то на свой страх и риск все же использует автомобильный бензин, но с учетом того, что летать на нем можно только на небольшой высоте. Мы пытались ввести регламент на использование автомобильного бензина на АШ-62 и на М-14. На АШ-62 это не получилось сразу, потому что уже на земле идет перегрев на взлетном режиме из-за более высокой, чем у авиационного бензина, тепловой отдачи.

Интересно, что работы над первым отечественным авиационным дизелем АН-1 велись в ЦИАМ под руководством А.Д. Чаромского еще в 1930-е годы. Наработки по этому проекту были использованы при создании легендарного В-2 для танка Т-34. И вот теперь дизель возвращается в авиацию, но уже в связи с появлением новых технологий с переходом на алюминиевые корпусные детали, которые появились сначала в автомобильной промышленности и позволили значительно облегчить конструкцию дизеля, что открыло ему дорогу к использованию в легковых автомобилях, а далее — в летательных аппаратах.

Чем характеризуется мировой уровень в разработках современных АПД? Есть ли понятие поколений АПД?

В АПД нет такого понятия, как двигатели разных поколений. Поршневой двигатель и у нас, и на Западе остается достаточно консервативной конструкцией, и его схема кардинально не менялась с 1940–50-х годов. Базовые двигатели разработки наиболее известных западных фирм, таких как Lycoming и Teledyne, в течение нескольких десятилетий остаются в том же типоразмере и конфигурации. Единственное, что можно отметить: обновляются обеспечивающие работу двигателя системы, появляются, например, впрысковые системы с электронным управлением с полной ответственностью типа FADEC, которые значительно снижают расход топлива, внедряются новые материалы.

Основное направление развития АПД на Западе — это то, чем занимаемся и мы: переход на новые системы, на новые масла, на новые топлива. В чем мы отстаем, так это в агрегатике, которая у нас не развивалась ни в авиации, ни в автомобильной промышленности. Те же форсунки везде применяются импортные — и в наземной технике, и в авиационной, хотя сейчас ведутся работы по созданию отечественных форсунок и для дизеля, и для бензинового АПД.

Так что говорить о смене поколений или о резком скачке в характеристиках АПД не приходится. Единственное принципиальное новшество состоит в том, что с середины 2000-х годов во всем мире стали внедряться авиационные дизели, использование которых интересно с точки зрения снижения расхода топлива и применения авиационного керосина.

Давайте все же поговорим об АПД нетрадиционных схем. Например, о роторно-поршневых двигателях. В автомобильной промышленности этот тип двигателя не прижился. А какие у него перспективы в авиации?

Работы по роторно-поршневым двигателям достаточно успешно ведутся во всем мире. Среди автомобильных компаний в этом направлении преуспела Mazda. Активно занимался этой темой и Автоваз, который вполне успешно оснащал роторно-поршневыми двигателями мощностью 120 л.с. «восьмерки» и «девятки» для МВД. Изготавливались и авиационные варианты, но затем их производство в Тольятти было прекращено. В автомобильной промышленности, прежде чем выпустить продукт на рынок, необходимо обеспечить его сервис в тех точках, где вы намерены его продавать, а эта задача достаточно непростая. Поэтому потеснить поршневые двигатели в наземном транспорте сложно. Роторно-поршневой мотор Mazda несколько лет признавался лучшим в своем классе, однако широкого распространения так и не получил.

Но если говорить об авиационном использовании, то я могу назвать как минимум шесть фирм, которые сейчас делают роторно-поршневые двигатели для беспилотников. БЛА с такими двигателями уже летают в Англии, Германии, Израиле.

У этого типа двигателей много достоинств: он компактен, у него малые вибрации и очень хорошая отдача по весу, он гораздо проще поршневого двигателя по количеству деталей, достаточно экономичен. Еще одно его достоинство — модульность: отработав одну секцию, можно создать унифицированный ряд двигателей, используя одну, две или три секции. Собрать вместе четыре модуля уже сложно, нужно много опор. Мы исследовали роторно-поршневой двигатель Mazda 13B и разработали свою секцию мощностью 90 л.с., что в дальнейшем позволит создать без больших дополнительных затрат двигатели мощностью 180 и 270 л.с.

В ЦИАМ уже создан демонстратор роторно-поршневого двигателя, он прошел на нашем стенде холодную обкатку и в данный момент времени «крутится» уже в горячую.

Важное направление исследований — это применение керамики в двигателях этого типа. ЦИАМ выиграл конкурс Фонда перспективных исследований по применению керамики на базе карбида кремния в роторно-поршневом двигателе для увеличения его ресурса. Будем делать из керамики вставку статора, все уплотнения и напыление на крышке.

Эта работа рассчитана на три года. Мы ее только начинаем, но уже к концу следующего года должен появиться работающий демонстратор для подтверждения заявленных технических характеристик, в том числе по высотности и по температуре окружающего воздуха в термобарокамере.

ЦИАМ на всевозможных выставках не раз демонстрировал поршень и гильзу из композиционного материала. Для роторно-поршневого двигателя будет использован тот же материал?

Поршень и гильза из керамики могут работать без смазки, поэтому мы и стремимся их внедрить. Мы испытывали их сначала со смазкой, причем поршни мы делали бесколечные, с минимальными зазорами. Тепловые расширения при использовании композитов посчитать трудно, поскольку применяется достаточно сложный многокомпонентный состав материала. Мы знаем, что цилиндр и поршень из алюминия в результате тепловых напряжений становятся овальными, а как себя поведет керамика, предсказать очень сложно. С первыми образцами у нас сразу ничего не получалось. Но потом мы нашли способ обойти эту трудность за счет изменения структуры материала. Что касается роторно-поршневого двигателя, то сейчас идут исследования и прочностные испытания различных типов материала, который в дальнейшем и будет применен в РПД.

Собственно, это и есть основная работа ЦИАМ: исследования новых технологий, материалов и конструктивных решений, их испытания. Причем испытания сначала идут на наших стендах в наземных условиях, а если они завершаются удачно, то мы переходим к испытаниям в ожидаемых условиях эксплуатации.

Не могу не задать Вам как специалисту по АПД вопрос о бесшатунном двигателе Баландина. Каков все же практический потенциал этого изобретения? Многие считают этот тип двигателя незаслуженно забытым.

Это не совсем так. Да, схема интересная. Благодаря отказу от кривошипно-шатунного механизма уменьшается трение между поршнем и цилиндром. Есть энтузиасты, например, в МАИ, которые продолжают развивать эту идею. К нам каждый год приходят несколько изобретателей с новыми вариантами усовершенствования баландинской схемы. Но ее основная проблема в большей степени — технологическая. Она связана с кулисой для передачи усилий со штока на вал. Из-за высоких нагрузок не удается обеспечить приемлемый ресурс этого механизма.

В целом же все схемные решения по поршневым двигателям уже были проверены в 1950–60-е годы: и аксиальная схема, и роторно-поршневой двигатель, и схема Баландина. Сергей Степанович Баландин, кстати, тоже работал в ЦИАМ и здесь создал двигатель, который работал и развивал мощность, но только до 2000 оборотов. В НАМИ много занимались этой схемой в 1980-е годы. Ее не забыли, и государство вкладывало в эти исследования большие деньги, но результата не было. Работоспособную конструкцию создать удалось, но не удалось сделать именно двигатель с нормальным ресурсом и нужными характеристиками.

Расскажите о работах ЦИАМ по турбокомпаундному двигателю.

Турбокомпаундная схема тоже известна уже достаточно давно. В ЦИАМ когда-то занимались и такими двигателями, а созданный при участии Института в 1950 году турбокомпаундный ВД-4К стал вершиной отечественного поршневого двигателестроения. В автомобилях же она в свое время применялась Volvo. Суть ее в том, что энергию от выхлопных газов, чтобы она не пропадала, срабатывают на силовой турбине, от которой мы можем или приводить генератор и получать дополнительную электроэнергию, или использовать эту прибавку непосредственно для увеличения мощности двигателя. Если в традиционном турбонагнетателе мы просто подаем в камеру больший топливный заряд, то здесь речь идет о более полном использовании энергии выхлопных газов, которая позволила бы запитывать, к примеру, бортовые системы, не отбирая мощность у двигателя.

У нас проработано несколько схемных решений использования такой турбины, просчитана сама турбина и электрическая часть. Планируем в этом году доработать математическую модель турбокомпаундного двигателя, посмотреть, какой эффективности мы добьемся в типоразмере на 500 л.с. Мы изучали варианты на 150, 300 и 500 л.с. При 150 л.с. использование этой схемы невыгодно по весовым характеристикам, а вот для 300 и 500 л.с. это уже интересно.

В планах ЦИАМ добиться резкого увеличения характеристик АПД к 2025–30 годам: снизить удельный расход топлива на 20-25%, удельную массу — на 25–30%, повысить ресурс и стоимость эксплуатации в 3–4 раза. За счет чего предполагается достигнуть такого прогресса?

За счет применения новых материалов и технологий, новых систем управления, включая систему непосредственного впрыска топлива, работ по применению синтетических масел и топлив, использования методики ЦИАМ по уменьшению масляного зазора между поршнем и цилиндром, позволяющей снизить расход топлива. Ведутся работы по уменьшению веса поршня, шатуна, колец, коленвала за счет использования интерметаллидов и композиционных материалов, по улучшению наполнения цилиндра и снятию большей работы с единицы объема. Оптимизируется геометрия впускного канала и расположения форсунки для улучшения испарения топлива на впуске. Изучаются новые алгоритмы управления рабочим процессом двигателей (стратификация заряда, гомогенное сгорание ТВС) и технологии системы управления с высокими энергиями зажигания и электронной многопараметрической системой управления рабочим процессом. Мы занимаемся отработкой перспективных систем наддува и системы снабжения двигателя воздухом, включая его охлаждение после компрессора. В наших планах — использование альтернативных видов синтетических топлив на основе углеводородных фракций пропан-бутанового ряда. Все эти составляющие дают значительный суммарный эффект, что и позволяет нам рассчитывать на достижение требуемых показателей.