В разработке перспективного авиадвигателя сверхбольшой тяги ПД-35 есть ряд проблем в области математического моделирования, в решении которых необходима помощь науки. Об это рассказал управляющий директор – генеральный конструктор АО «ОДК-Авиадвигатель», член-корреспондент РАН Александр Иноземцев в своем докладе на научной сессии Общего собрания Уральского отделения Российской академии наук в Екатеринбурге 10 декабря 2021 г.

Свой доклад Александр Иноземцев начал с сообщения о том, что буквально накануне, 9 декабря, на его предприятии в Перми состоялось выездное заседание правительства по вопросам авиадвигателестроения, и на нем было объявлено о дополнительном финансировании работ по ПД-35 в размере 44,6 млрд руб.

По словам генерального конструктора АО «ОДК-Авиадвигатель», правительство и Президент России поддерживают вывод о том, что стране нужен такой класс двигателей для того, чтобы войти в нишу дальнемагистральной широкофюзеляжной авиации и тяжелого и сверхтяжелого транспортного авиастроения. Бюджет программы создания ПД-35 на ближайшие 10 лет– 185 млрд руб., и сейчас главная задача – привлечь научный потенциал для реализации этой программы.

«Больше 10 лет назад я просил помощи в создании ПД-14 (двигатель тягой 14 тс, разработанный для среднемагистрального лайнера МС-21, – Прим. ред.), и мы с Академией наук провели очень много работ, – сказал Александр Иноземцев. – Примерно такая же ситуация сейчас по ПД-35. Наблюдается колоссальный дефицит мозгов и умелых рук, поэтому я сейчас обозначу темы, где помощь науки особенно нужна и, если кого-то эти темы заинтересуют, милости прошу ко мне. Деньги, слава богу, есть, остается только их освоить».

Генеральный конструктор отметил, что программа создания ПД-35 на самом деле предполагает разработку целого семейства авиадвигателей в диапазоне тяги от 20 до 50 тс, а также промышленных газотурбинных установок для энергетиков и газовиков. Ни в СССР, ни в России двигатели такого класса мощности не создавались, и на мировом рынке их производят только две фирмы – General Electric и Rolls-Royce. Остальные разработчики не справились с проблемами.

На этом рисунке – самый большой в мире турбореактивный авиадвигатель GE9X (США). Диаметр его вентилятора – 3,4 м. Он может развивать тягу до 47,9 кт. Самый же мощный двигатель компании General Electric – GE90 – развивает тягу до 58 тс. Именно таким гигантам должен составить конкуренцию ПД-35.

«При создании ПД-14 было освоено 16 ключевых технологий. Сейчас надо освоить еще 18 новых технологий, чтобы стать конкурентоспособными в новой рыночной нише, – заявил глава «Авиадвигателя». – Мы посчитали, что нам предстоит решить 1200 крупных научно-технических задач при создании семейства двигателей большой тяги».

Как подчеркнул Александр Иноземцев, множество научных проблем нужно решить еще до изготовления «железа». Одна из них – это математическое моделирование.

«Вокруг этого направления сейчас много разговоров, – сказал ведущий российский идеолог гражданского авиадвигателестроения. – Возникают коммерческие термины, например, – цифровой двойник. Это вообще абсолютная глупость, которую придумали, чтобы продавать софт подороже. На самом деле все разработчики знают понятие математической модели – либо процесса, либо объекта. И ее ценность определяет степень близости к реальному процессу или объекту».

«Мы уже более 20 лет занимаемся внедрением матмоделирования, используя программное обеспечение Siemens Unigraphics (Система автоматизированного проектирования Siemens Unigraphics с 2007 года официально называется Siemens NX. – Прим. ред.) Отечественного программного обеспечения нет. Саров (Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики. – Прим. ред.) обещал, что в 2028 году будет его заменитель. Правда, сначала был срок 2020 год, потом 2023, потом 2025, теперь 2028», – обозначил Александр Иноземцев одну из главных проблем, подчеркнув, что российские предприятия могут отключить от возможности использования зарубежного программного комплекса «одним щелчком», после чего все планы по матмоделировнию рухнут.

По словам Александра Иноземцева, АО «Авиадвигатель» располагает очень мощными вычислительными ресурсами, но этого уже недостаточно для решения новых задач.

«Мощность нашего вычислительного центра – 220 терафлопс, – говорит генеральный конструктор. – Это серьезная мощность, и тем не менее нам этого не хватает, и мы готовы подключать институты к нашим вычислениям».

Создание основных узлов современного турбореактивного двигателя невозможно без математического моделирования.

К примеру, связанный тепло-газодинамический расчет только одного узла авиадвигателя – турбины высокого давления – требует расчетной сетки размерностью в 480 млн элементов.

«Даже на наших мощнейших машинах такие расчеты идут неделями, – говорит Александр Иноземцев. – А ведь нужны несколько итераций. Очень важно кому-то к этому подключиться».

Для обеспечения конкурентоспособности авиадвигателя ключевая задача – снизить стоимость жизненного цикла изделия, стоимость владения и стоимость летного часа.

«Впервые в нашей практике в проект заложены параметры стоимости жизненного цикла, которые должны быть достигнуты, – рассказал глава «Авиадвигателя». – Мы впервые создаем такую модель, и, если у экономистов есть какие-то соображения, мы с удовольствием подключим их к решению этой проблемы. Никто и никогда из двигателистов России и Советского Союза этой проблемой не занимался. Мы впервые идем по этому пути».

По словам Александра Иноземцева, двигатели сверхбольшой тяги для дальнемагистральных самолетов – это вершина научно-технического прогресса в газотурбинном двигателестроении. В таком двигателе все параметры должны быть на пределе возможного. Особенно важна топливная эффективность.

«На других летательных аппаратах (ЛА) топливная эффективность – это коммерческое понятие, но если дальнемагистральный самолет не долетит до Австралии, то он просто упадет», – привел генеральный конструктор пример важности достижения нужных характеристик в таком проекте. В связи с этим особую важность обретает задача аэродинамического расчета обтекания мотогондолы двигателя. Во времена СССР эта задача возлагалась на разработчиков самолета, однако сложность состоит в том, что ПД-35 разрабатывается с опережением в сравнении с проектами создания самолетов, на которых он будет использоваться.

«В общем, ничего страшного нет, что самолетчики спят, – пояснил ситуацию Александр Иноземцев. – Двигатель создается в два раза дольше, чем самолет. И все мы, двигателисты, обречены делать новый двигатель на свой страх и риск».

Вот и ПД-35 «Авиадвигателю» никто не заказывал, и главе предприятия пришлось его «придумать» самому.

«Мы проанализировали рынок и решили, что такой двигатель, наверное, в точку. И мы попали в точку с российско-китайским дальнемагистральным самолетом», – считает Александр Иноземцев, подчеркнув, что в ближайшие 50 лет другой подобный двигатель точно не потребуется.

Предполагается, что российско-китайский широкофюзеляжный дальнемагистральный самолет CR 929-600 на 250–300 пассажиров после 2030 г. будет оснащаться ПД-35.

«Самолет – это устройство, которое мешает двигателю летать, – напомнил Александр Иноземцев собравшимся известную шутки двигателистов. – На ПД-14 мы впервые взяли на себя целиком проектирование силовой установки, включая ее аэродинамическое взаимодействие с пилоном и крылом. Благодаря этому за счет грамотного моделирования мы смогли получить заданные техническим заданием характеристики. И с ПД-35 мы продолжим этот подход. Матмодель взаимодействия мотогондолы двигателя, пилона и крыла – это тоже наша часть. Это огромная задача, и для математиков она просто сказочно интересна».

«Если удастся обеспечить ламинарное обтекание мотогондолы такого размера, то уровень топливной эффективности можно поднять на 1-1,5 %, потому что огромные габариты мотогондолы сильно влияют на всю аэродинамику ЛА, – подчеркивает важность задачи Александр Иноземцев. – Вопрос безотрывного обтекания мотогондолы – это серьезнейшая проблема, которую мы решаем сейчас на уровне матмоделирования и продувки моделей в аэродинамических трубах».

Перечисляя другие задачи, которые возникают в связи с развертыванием работ по ПД-35, Александр Иноземцев рассказал, что у двигателя такой размерности – 4 м диаметром и почти 10 м длиной – появилась проблема, с которой раньше отечественная конструкторская школа не сталкивалась, – обеспечение жесткости конструкции. Поэтому вопросы матмоделирования жесткости двигателя становятся принципиально важными, в то время как при разработке двигателей меньшего размера на этот аспект не обращали большого внимания.

«Авиационные власти во всем мире пока не доверяют моделированию, не доверяют расчетам при определении ресурса основных деталей, – выделил Александр Иноземцев еще одну проблему. – Но разрешается назначать ресурсы по реальным свойствам материалов реальных заготовок, потому что эти свойства зависят от технологии изготовления заготовок».

В связи с этим возникает необходимость создавать базу данных свойств металлов и сплавов по результатам испытаний образцов, вырезанных непосредственно из заготовок.

Роботизированный комплекс для изготовления стандартизированных образцов из новых материалов на АО «ОДК-Авиадвигатель».

«Такую базу мы создали при разработке ПД-14, – рассказал Александр Иноземцев. – Мощнейшая роботизированная линия эти образцы штампует, как патроны. Мы их уже изготовили более 80 тыс. штук, чтобы создать банк данных по свойствам, которая позволит нам на основании расчетов назначать ресурс основных деталей».

Еще один важнейший вопрос – проектирование вентилятора. Одна из ключевых технологий, разработанных в свое время для ПД-14, – это изготовление полых титановых лопаток вентилятора. Но диаметр вентилятора ПД-14 составляет 1,9 м, а ПД-35 – 3,1 м.

Экспериментальная углепластиковая лопатка вентилятора в размерности ПД-14.

«На таких больших двигателях лопатки вентилятора изготавливают уже из полимерных композиционных материалов, потому что снижение массы за счет углепластика на таком двигателе – это примерно полтонны, если не больше, – рассказывает глава «Авиадвигателя». – Такие лопатки в габаритах ПД-14 уже изготовлены и испытываются. Но сначала необходимо провести матмоделирование. Здесь мы находимся просто в пустоте, потому что никакого опыта ни у кого нет. Мы идем первыми, поэтому качество и уровень матмоделирования в этом вопросе крайне важны. Если кого-то эта тема интересует, милости прошу».

Александр Иноземцев отметил, что если есть компрессор высокого давления, то двигатель состоится, а если его нет, «то не будет ничего». По его словам, важнейшие параметры с целью получения нужного запаса устойчивости и КПД отрабатываются на сквозном матмоделировании узла.

Следующий блок вопросов связан с камерой сгорания.

«Кроме того, что надо обеспечить живучесть конструкции при температурах под 2000 градусов, надо еще решить вопросы эмиссии, и здесь матмоделирование горения крайне важно, – подчеркнул Александр Иноземцев. – Одна из важнейших проблем – это качество распыла топлива. На ПД-14 мы решили много вопросов, и сейчас надо сделать следующий шаг для достижения еще более высокого уровня параметров. Это очень серьезная проблема – как распылить топливо, чтобы обеспечить минимальный выброс вредных веществ из камеры сгорания».

Следующая задача – полное моделирование течения во внутренних полостях лопатки турбины.

«Ни один металл в мире не может выдержать такие температуры, которые возникают в двигателе, поэтому вопрос внутреннего охлаждения лопаток, покрытия их керамикой и моделирование всех этих процессов крайне важен», – подчеркнул глава «Авиадвигателя».

Также необходимо решить задачу по оценке КПД турбин высокого и низкого давления с учетом их совместной работы.

«Мы раньше никогда не занимались совместным моделированием двух узлов и их взаимным влиянием, – рассказывает Иноземцев. – Для этого требуется 180 млн элементов в сетке».

Шум – это тоже экология. В этой области тоже идет конкуренция двигателистов всего мира.

«Если на ПД-14 мы в основном занимались подавлением шума специальными устройствами, то при разработке ПД-35 мы уже на этапе проектирования занимаемся минимизацией генерации шума в выходных узлах – в вентиляторах и турбине низкого давления, – говорит Александр Иноземцев. – Это следующий уровень матмоделирования. И, плюс, совершенствуется система шумоглушения».

Математическое моделирование требуется не только для разработки двигателя, но и для обеспечения процесса его испытания.

Открытый испытательный стенд АО «ОДК-Авиадвигатель»

«Уже более 10 лет у меня на предприятии действует приказ, запрещающий нажимать любую кнопку на любом испытании без предварительного оформления прогноза результатов на основе матмодели, – рассказывает руководитель «Авиадвигателя». – Матмоделирование эксперимента – это закон, и, более того, у нас по итогам года проводится конкурс, и те специалисты, у которых матмодели получаются наиболее близки к экспериментам, получают хорошие премии по 100-200 тыс. руб.».

Задача особой важности – математическое моделирования работы системы управления авиадвигателем. По словам генерального конструктора, так же, как и на самолете, на современных двигателях уже нет никакого гидромеханического дублирования системы управления. Есть только вычислительные машины, которые управляют двигателем, и если что-то в их работе пойдет не так, то произойдет катастрофа с самыми тяжелыми последствиями.

Отдельный вопрос – моделирование технологических процессов производства двигателя.

«У нас кульманы стоят только для того, чтобы 8 марта повесить там плакат с поздравлением женщинам, – рассказывает Александр Иноземцев. – Везде безбумажная технология, в том числе и у технологов».

Моделируется литье, штамповка и прочие производственные процессы, но особую роль в производстве ПД-35 будут играть аддитивные технологии.

«Сейчас уже даже чиновники знают, что слово «аддитивные» пишется с двумя «д», а 15 лет назад, когда мы начинали этим заниматься, над нами смеялись, – говорит Александр Иноземцев. – Но сегодня без этого уже нельзя обойтись. И мы уже не просто тупо выращиваем заготовку, а сначала моделируем этот процесс, потому что у этой технологии есть серьезные проблемы и крайне важно провести качественное матмоделирование перед тем, как сплавлять деталь из порошка. Если кто-то этими вопросами занимается, милости просим».

15 сентября 2021 года специалисты АО «ОДК-Авиадвигатель» завершили сборку демонстрационного газогенератора (состоит из компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины высокого давления) ПД-35, на базе которого будет создаваться все семейство двигателей большой тяги. Это знаковое событие, но впереди еще очень много работы.

Кто-то из участников совещания, иллюстрируя научно-технический потенциал региона, который можно задействовать в решении перечисленных проблем, вспомнил, что Уральский межрегиональный НОЦ «Передовые производственные технологии и материалы» разрабатывает принципиально новый двигатель для многоразового космического корабля.

«Космический корабль – это в 10 раз проще, чем ПД-35. Это я говорю совершенно ответственно», – подчеркнул серьезность задач Александр Иноземцев.

Интересной информацией поделился генеральный конструктор «Авиадвигателя» в конце своего доклада: «Мы запускаем программу создания двигателя для сверхзвукового пассажирского самолета. Там возникает еще целый ряд совершенно специфических проблем. Как только начнется реальное финансирование, я приеду к вам и буду снова просить помощи».

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.

Фото АО «ОДК», GE.