Валерий Августинович - Битва за скорость. Великая война авиамоторов
Существенным признаком авиационного двигателя как сложной технической системы является его непрерывное становление, т. е. наличие на каждом этапе жизненного цикла элементов и технологий, «отмирающих» в процессе жизни двигателя, и появление новых конструктивных элементов и технологий, повышающих ресурс, надежность, экономичность и прочих интегральных показателей качества.
Неполнота априорной информации о тепловых, механических, акустических и других нагрузках в системе двигателя приводит к тому, что в процессе работы создаваемого двигателя неизбежно выявляются дефекты, ограничивающие работоспособность двигателя. Эти дефекты условно могут быть разделены на две основные группы: дефекты, устраняемые настройкой системы без существенных конструктивных переделок, и дефекты, ограничивающие ресурс двигателя и устраняемые изменением конструкции основных узлов.
В качестве примера рассмотрим перечень дефектов (после разборки и дефектации) первого собранного двигателя ПС-90А, прошедшего первые 500-часовые испытания [31]:
• высокая температура под капотом внутреннего контура;
• нестабильный запуск;
• нагарообразование в камере сгорания;
• обрыв отдельных лопаток компрессора высокого давления;
• трещины на крупных лопатках статора вентилятора (диаметр вентилятора около 2 м);
• прогар и оплавление входных кромок лопаток соплового аппарата турбины;
• сколы, трещины и отгиб полок рабочих лопаток турбины;
• поломки трубопроводов;
• течь масла через радиальные зазоры в воздушных лабиринтных уплотнениях.
На первый взгляд мы имеем удручающую картину состояния двигателя, которая может привести в отчаяние неопытного главного конструктора. Однако большинство этих дефектов относятся к первому типу, т. е. достаточно просто устраняются настройкой системы. В самом деле, высокая температура под капотом устраняется увеличением расхода циркулирующего охлаждающего воздуха (т. е. увеличением площади вентиляционных окон обтекателя), прогары лопаток турбины — оптимизацией расположения отверстий для выпуска охлаждающего воздуха, течь масла — изменением расстояния между масляной форсункой и лабиринтом, поломки трубопроводов — выбором точек крепления на корпусе двигателя, устраняющих резонансные колебания труб и т. д. Дефекты второго типа в принципе обусловливают необходимость существенного изменения конструкции: изменение силовой схемы, числа ступеней турбокомпрессора и т. п. В практике КБ П. А. Соловьева, и в этом персональная заслуга этого последнего из «могикан», ни разу не возникало такой необходимости, что говорит о взвешенности подхода главного конструктора к оценке новизны и рисков. Такой баланс соблюсти очень трудно: идти приходится по лезвию или-или. Или неконкурентоспособность из-за исповедуемой консервативности, или большие риски не уложиться во времени с тем же результатом провала.
Современный испытательный стенд (НПО «Сатурн», г. Рыбинск).
Самым большим капиталом сегодня является пока еще сохранившийся опыт создания надежной авиатехники (что подтверждено 50-летней массовой эксплуатацией воздушных судов советского производства). Такая кредитная история дорогого стоит. Авиация в России (и военная, и гражданская — это единая неразрывная система) — это инструмент сохранения суверенитета. В этом качестве необходимо рассматривать авиацию (так же, как и космос, очевидно, не являющийся прибыльным бизнесом) как неизбежное «бремя», а не источник прибыли. Если автопром — это чистая коммерция (массовое производство), а космос — чистая дотация (единичное производство), то в авиапроме необходимо сочетать коммерцию и дотацию. Вопрос стоит о минимизации бремени дотации при условии выполнения авиацией своей геополитической функции. Необходим баланс коммерческих и геополитических интересов, когда имеешь дело с авиацией. Именно в нахождении оптимума сочетания этих интересов и заключается сложность (и одновременно инновационность) решения проблемы.
Очевидно, что сегодня в эпоху примата «суммы технологий» международная и внутренняя кооперация жизненно необходима для сохранения позиций на рынке.
И здесь мы наблюдаем исторический зигзаг: начало пермских моторов было связано с американской фирмой «Райт», а возобновление международного сотрудничества уже в форме участия в капитале акционерного общества — с ее тогдашним конкурентом «Пратт-Уитни», авиационное направление которой тоже развилось на базе конструкторской школы Райта.
СУММА ТЕХНОЛОГИЙ
Вот и настал XXI век, век геополитических стратегов, политтехнологов и менеджеров, «эффективных» и не очень. Роль личности объективно снизилась (если не учитывать растущую субъективную некомпетентность высшего слоя менеджеров — здесь-то в генерации иррационального роль личности повысилась: глупости невозможно предсказать) не только в обществе, но и в технике. Все больше бал правят технологии. Технологии задают вектор развития, в том числе и при разработке авиационных двигателей. Практически все авиационные двигатели XX века были спроектированы с помощью термодинамического подхода, т. е. с использованием интегральных (осредненных по объему) соотношений, что, в свою очередь, требовало большого объема экспериментальных работ для исследования локальных эффектов нагружения деталей. И сама термодинамика, и сопромат (сопротивление материалов), и теплопередача, использовавшиеся при проектировании двигателей в доинформационную эпоху (до создания ЭВМ со скоростями вычислений порядка петафлопс, т. е. 1015 логических операций в секунду) суть термодинамические методы. А фактическое разрушение всегда начинается с локальной трещины.
Таким образом, для повышения уровня проектирования, т. е. более эффективного использования возможностей конструкционных материалов, а следовательно, и уменьшения массы двигателя и повышения его кпд необходимо уметь моделировать процессы нагружения на локальном уровне, т. е распределенные по объему нагрузки с учетом реальной геометрии. Но как только такая задача поставлена, она влечет за собой необходимость столь же подробного моделирования граничных условий нагружения, т. е. соответствия уровней постановок. В нашем случае это в первую очередь решение газодинамических задач обтекания в трехмерной, а иногда и в четырехмерной (с учетом параметра времени) постановках.
Более того, локальность описания граничных условий чаще всего носит сугубо нелинейный характер. Что такое нелинейность? Это в первую очередь большой градиент изменения свойств среды по геометрической координате и времени. Например, резкое изменение нагрузки при наличии концентрации напряжения в случае неоднородностей свойств (постороннее включение в материале, геометрическая неоднородность, связанная с малым радиусом закругления кромок, и т. д.). Аналогично и в газовом потоке: например, наличие фронта ударной волны или пламени, где параметры потока (давление, температура, концентрация реагентов) сильно изменяются на малом протяжении. Но ведь… и сами давление и температура суть осредненные, термодинамические параметры. На самом деле они не существуют. Это не что иное, как уже осредненное воздействие (давление) или кинетическая энергия (температура) движущихся молекул. А любое осреднение (по пространству или времени) есть погрешность, которая может стать очень значительной в случае уже упомянутой нами нелинейности свойств среды. Таким образом, в этом случае необходимо переходить на уровень описания реально существующих объектов: скоростей молекул (вернее, их статистических распределений), геометрических координат и времени. Кроме молекул и их скоростей на уровне описания газодинамического взаимодействия, ничего другого (ни давления, ни температуры) не существует.
