Валерий Августинович - Битва за скорость. Великая война авиамоторов

• Название: Битва за скорость. Великая война авиамоторов
• Автор: Валерий Августинович
• Издательство: М. : Яуза : Эксмо, 2010. — 448 с.: ил.
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2010
• ISBN: 978-5-699-43214-1

Борьба за господство в воздухе — это прежде всего ВОЙНА МОТОРОВ. Опыт Второй Мировой показал, что именно превосходство в скорости является решающим фактором в воздушном бою, а отставание СССР в моторостроении стало главной «ахиллесовой пятой» наших ВВС в Великой Отечественной войне. Вся история авиации есть ожесточенная БИТВА ЗА СКОРОСТЬ, а значит — за мощность авиадвигателей, по праву считающихся вершиной технологии и доказательством научно-технической состоятельности государства.

Эта книга — первое серьезное исследование великой войны моторов, продолжавшейся весь XX век и определившей развитие авиапромышленности, — от первых поршневых двигателей до новейших газотурбинных, от неуклюжих «этажерок», летавших со скоростью мопеда, до гиперзвуковых стратосферных суперджетов последнего поколения. Будучи признанным авторитетом в области проектирования авиационных двигателей с более чем 40-летним стажем, автор лично участвовал в этой битве за скорость, а его книга не только в высшей степени компетентна, но еще и на редкость увлекательна, читаясь как захватывающий технотриллер.

---

Исключением является французский двухконтурный одновальный двигатель военного назначения М-53. Здесь пошли на снижение эффективности компрессора высокого давления ради уменьшения количества трудноохлаждаемых «горячих» опор-подшипников — двигатель применяется на сверхзвуковом самолете, да и степень двухконтурности у него невысокая, соответственно невелика и разница диаметров вентилятора и компрессора.

Кроме того, со сжатием воздуха в каждой последующей ступени повышается его температура, а следовательно, увеличивается скорость звука. Поэтому мы можем допустить увеличение окружной скорости в каждой последующей ступени ротора компрессора без боязни увеличения волновых потерь. То есть теоретически каждую следующую ступень компрессора желательно вращать с большей окружной скоростью — уровень волновых потерь это допускает. Иначе, сколько ступеней компрессора — столько должно быть роторов с точки зрения минимизации числа ступеней. Но… при этом кратно увеличивается количество подшипниковых опор, нормальную работу которых при больших окружных скоростях и высоких температурах обеспечивать трудно. Таким образом, один-два ротора для одноконтурного и два-три ротора двухконтурного двигателя — это устоявшаяся практика. При этом в случае длинных валов их часто делают разрезными, каждый на двух опорах. Поэтому даже при двух роторах количество опор может быть не четыре, а больше — например, семь (по две на каждый компрессор, три — на две турбины, где одна из опор — общая, межвальная).

Так вот, при проектировании JT9D отказались от разрезных валов, приняв решение: два ротора — четыре подшипниковых узла. Все бы хорошо, но вскоре оказалось, что «паразитные», «лишние» опоры в разрезных валах через свои силовые связи подобно обручам увеличивали жесткость корпусов двигателя. Как только их убрали, корпус компрессора стало «корежить», превращая его из круглого в овальный. А из-за этого пришлось увеличивать радиальные зазоры между лопатками компрессора и корпусом и катастрофически терять кпд. Корпус компрессора на двигателе JT9D пришлось усиливать с помощью продольной балки-«ухвата», ставшей с тех пор атрибутом двигателей с большой степенью двухконтурности. В общем, классическая ошибка конструктора, обусловленная, как уже отмечалось, всегдашней нехваткой времени. Все просчитать невозможно, и многие решения принимаются интуитивно.

Ниже в таблице без комментариев представлены три наилучших компрессора конца 1950-х гг., воплощающих в себе разные приоритеты (школы) проектирования: минимальное количество ступеней (а следовательно, и массы, и стоимости), максимальную степень сжатия, оптимальное сочетание того и другого. Чем выше степень сжатия в двигателе, тем он экономичнее. Выбирайте, что вам нравится. Каждый вариант имеет свои достоинства и недостатки. Для сравнения в последней строке таблицы представлен достигнутый на сегодня (XXI век) уровень проектирования компрессоров. ЕЗЕ — это европейский газогенератор, «сердце» перспективных двигателей следующего поколения, проектируемых на выполнение «трех Е»: эффективность, экология и энергосбережение. В этом проекте реализованы все последние достижения науки и техники в области авиационного двигателестроения. Следует отметить, что немецкие аэродинамики и конструкторы сохранили свои ведущие позиции в проектировании компрессоров и сегодня.

Двигатели Р11-300 и J-79-GE были самыми массовыми в истории реактивной авиации и не в последнюю очередь благодаря конструкции своих компрессоров. Р11-300 было произведено в разных странах около 20 тыс. штук, a J-79-GE, тоже включая лицензионное производство (вплоть до 1993 г. в Израиле), — около 17 тыс. штук.

Таким образом, в мире сложилось две школы проектирования компрессоров турбореактивных двигателей: двухвальные малоступенчатые и одновальные многоступенчатые. К первой школе принадлежали «Пратт-Уитни» в США и ОКБ-300 в СССР. Ко второй школе — соответственно, «Дженерал Электрик» в США, ОКБ-36 (Добрынин), ОКБ-165 (Люлька), ОКБ-19 (Соловьев) в СССР. Далее оказалось, что при повышении температуры газа перед турбиной и связанным с этим переходом к двухконтурной схеме двигателя в выигрыше оказалась последняя школа. Ее разработки компрессоров, по сути, не претерпели изменений при постановке на своем валу впереди компрессора низкого давления (вентилятора и «бустера» — подпорных ступеней). А вот сторонникам первой школы пришлось заново разрабатывать многоступенчатый компрессор… или переходить на трехвальную схему. Но и в последнем случае компрессор нужно было разрабатывать заново: трансмиссия (вал вентилятора) не проходил через втулочное сечение малого диаметра компрессора. Так вторая школа получила конкурентное преимущество во времени.

Поучительна история «взлета и падения» советского ОКБ-300. «Отец-основатель» ОКБ-300 А. А. Микулин был личностью незаурядной. Не имея высшего инженерного образования, он сумел, используя природный талант и практические знания, полученные в конструкторской школе Н. Р. Брилинга (КБ в НАМИ), вырваться вперед в первой фазе инновационной волны поршневого авиационного моторостроения, организовав разработку (из того, что было) модификации лицензионного БМВ-VI. Как мы помним, эта разработка получила индекс АМ-34. Следующим рискованным, но удачным ходом оказался рекордный беспосадочный перелет В. П. Чкалова через Северный полюс в Америку на одномоторном (АМ-34) туполевском самолете АНТ-25. Так А. А. Микулин завоевал авторитету Сталина, который он использовал «на всю катушку», правда, для дела. Репрессии 1930-х его миновали. Как он сам объяснял причину этого своему сыну: «меня охраняло то, что я никогда не рассказывал, что я видел, у кого бывал, что слышал» (Берне, с. 270). В войну модификация микулинского мотора АМ-38 стояла на знаменитом штурмовике Ил-2. В совокупности это стало «охранной грамотой» для Микулина. Имея прямую телефонную связь со Сталиным, установленную по его указанию, и личные неформальные контакты с высшим руководством (с тем же всесильным Л. П. Берией) на отдыхе, Микулин мог себе позволить и позволял многое. В первую очередь это касалось влияния на выделяемые ресурсы для своего ОКБ. Очевидно, что неизбежный при этом «обход» бюрократической иерархии в лице министра авиапрома не добавлял ему доброжелателей в этом слое управленцев. Как только Сталин ушел из жизни, в 1955 г. Микулина сняли с работы. Но в этом отстранении его от руководства ОКБ были и объективные причины. Микулин по своему складу личности был изобретатель, он и прославился именно как изобретатель, попав в резонанс первой фазы инновационной волны, когда бал правят «изобретатели». Но к 1955 г. начинается доминирование «инженеров», когда требуется и системное мышление, и планирование результата, и долгая «нудная» работа по доводке. Время Микулина ушло.

Если посмотреть на ряд микулинских, вернее, ОКБ-300 разработок турбореактивных двигателей, то мы увидим восемь моделей, начиная от первенца АМТ КРД-01, в серию не пошедшего, и далее серийные АМ-3 (РД-ЗМ), АМ-5 и его модификации (АМ-7, РД-9Б (АМ-9), удачный и передовой для своего времени массовый Р11-300 (АМ-11) и его модификации (Р13-300 (AM-13), Р29-300 (АМ-29), P95Ш), специфические почти гиперзвуковой Р15-300 (AM-15) и вертикального взлета Р79-300. Урожай солидный! Автор намеренно оставил в скобках индексацию AM даже в тех моделях, которые не сохранили ее после увольнения Микулина, чтобы подчеркнуть преемственность разработок. Микулин, являясь психологическим типом «изобретателя», конечно, органически не мог заимствовать уже готовое и известное. Задачу конкретной реализации идеи турбореактивного двигателя он попытался решить самостоятельно, сознательно не вступая в контакте немецкими инженерами, очутившимися после войны в СССР. Для психологического типа «инженера» это поведение — иррационально. «Инженер», как пчела, собирает информацию, где только можно. А для «изобретателя» — естественно.

Так появился первый оригинальный микулинский турбореактивный двигатель АМТКРД-01, особенностью которого была «слоеная» компоновка компрессора и камеры сгорания — камера сгорания располагалась над компрессором, а поток воздуха имел два поворота на 180°: за компрессором он разворачивался в обратную сторону по внешней стороне корпуса, проходил до начала компрессора, затем вновь разворачивался и заходил в камеру сгорания на большем радиусе. В осевом направлении такая компоновка была очень компактной, но в радиальном имела большой «лоб» и, с учетом внешнего сопротивления, не давала никаких преимуществ. Такая конструктивная схема двигателя хороша для… танка, но не для самолета. Кстати, в 1944 г., когда немцы занялись проектированием газотурбинного танкового двигателя, такая схема рассматривалась ими. На этом примере изобретатель Микулин виден как на ладони. Оригинальное решение частной задачи, отсутствие системного подхода, когда решения надо «взвешивать», находить компромисс. То же можно было наблюдать и при создании еще поршневого АМ-34: двигатель получился мощный как и задумывался, но и тяжелый одновременно — перехода на новый технический уровень не произошло.