Читать книгу "Битва за скорость. Великая война авиамоторов - Валерий Августинович"

В Советском Союзе, разумеется, не могли «отстать», претендуя (тогда еще справедливо) на передовые позиции в авиастроении. Да и по смыслу применения на трассах Москва — Хабаровск, Москва — Владивосток и Москва — Петропавловск-на-Камчатке этот проект сверхзвукового самолета имел право на существование не меньше, чем «Конкорд» на трассе Лондон — Сидней. Началась гонка Ту-144 — «Конкорд». Проект Ту-144 стал самым престижным — под него ресурсы выделялись в приоритетном порядке. В результате нехватки ресурсов запоздали с заменой ближнемагистрапьного самолета Ту- 134, который планировалось заменить еще в 70-80-е гг. следующим Ту-164 с более экономичным и менее шумным двигателем. Так, Ту-134 отлетал срок амортизации в два раза больше положенного для смены поколений (40–50 лет вместо 25). Ругать его за шум и несовременность сегодня не надо — техника 1960-х не виновата, что ее эксплуатируют в 2000-х. Автор этих строк, кстати, и в американском аэропорту Сиэтла видал не так уж давно (в 1997 г.) заруливавшие на посадке весьма старые и закопченные от сажи на выхлопе DC-9 аналоги наших Ту-134.

Создание Ту-144 тем не менее стало отличной школой для конструкторских бюро, задействованных в этом проекте. К сожалению, этот проект забросили так же, как и инновационные ЗМ, Т-4, космический челнок «Буран», когда они были уже на выходе, а Ту-144 уже начал пробные грузовые рейсы на трассе Москва — Алма-Ата. Да, топливо подорожало, да, к сожалению, произошли известные катастрофы Ту-144 в Ле-Бурже, в которой сам самолет не был виноват, и в СССР, но надо же смотреть и в будущее. «Конкорд» отлетал свои 30 лет и закончил свою эксплуатацию эффектной катастрофой в парижском аэропорту Шарль де Голль при взлете в августе 2000 г., но это не должно останавливать прогресс. С учетом грядущего повышения роли Дальнего Востока, на взгляд автора, необходимо вернуться к созданию пассажирского сверхзвукового самолета вновь на новой технической базе. Учитывая, что полет его будет проходить полностью над территорией России, никаких надуманных ограничений по экологическим или другим мотивам не будет. А рентабельность проекта надо рассматривать в общей социально-экономической системе, а не в отдельной ее части. Как известно, Транссиб, построенный в начале XX века, тоже был нерентабельным с узкоэкономической точки зрения.

Но все это — предыстория, необходимая для понимания дальнейшей «войны моторов». Дело в том, что двигатель для Ту-144 проектировало передовое ОКБ Н.Д. Кузнецова. Это был первый в СССР двухконтурный двигатель с форсажной камерой для сверхзвукового, хотя и пассажирского самолета. ОКБ Н.Д. Кузнецова начало экспериментировать с этой схемой еще в середине 1950-х гг., предлагая двигатель НК-6 тягой 22 000 кг с форсажем только в наружном контуре на конкурс в качестве силовой установки для сверхзвукового разведчика Ту-22Р. Как мы помним, именно эта схема была запатентована А.М. Люлькой в 1937 г. Тогда НК-6 закономерно проиграл рыбинскому одноконтурному ВД-7М по массе (оказался тяжелее) и «лбу», реванш состоится позже. До выхода на Ту-144 в Самаре создавали двигатели для дозвуковой авиации: на базе «ядра» — газогенератора НК-6 был создан первый серийный двигатель НК-8 ОКБ Кузнецова для магистральных самолетов. В сравнении со своим прототипом НК-6 он имел уменьшенный диаметр вентилятора и соответственно расход воздуха.

Попытка приставить форсажную камеру к двухконтурному двигателю, чтобы расширить область его применения на сверхзвуковые скорости, является типичной. В этом случае дожигание топлива за турбиной дает возможность увеличить скорость истечения газов до оптимального соотношения 1,5–2 по отношению к увеличившейся же скорости полета. Скорость истечения, как известно, пропорциональна корню квадратному из температуры газов. Поэтому, увеличивая температуру газа от типичных 800-900К за турбиной до 2000К, мы получим увеличение скорости истечения, а следовательно, и тяги в условиях взлета в 1,5–1,6 раза. Но… в отличие от одноконтурного в двухконтурном двигателе температура газа на выхлопе ниже за счет подмешивания большой части «холодного» воздуха из наружного контура. Поэтому для подогрева его до нужной температуры 2000К в последнем случае нужно сжечь больше топлива — экономичность двухконтурного двигателя становится хуже и тем в большей степени, чем больше отношение расходов «холодного» (наружного) и горячего (внутреннего) контуров, т. е. чем больше степень двухконтурности. Поэтому на двигателях для сверхзвуковых самолетов редко применяют степень двухконтурности больше 0,5, если время полета на сверхзвуке составляет основную часть полетного профиля. Если доля времени полета на дозвуке увеличивается, то и компромиссное значение степени двухконтурности также увеличивается, максимально до величины 2,0 (двигатель F101-GE для стратегического бомбардировщика В-1 В «Рапира» с большим участком траектории полета на дозвуке).

Если посмотреть на историю развития конструкторских разработок газотурбинных двигателей ОКБ Н.Д. Кузнецова, то первое слово, которое приходит в голову для интегральной оценки этого ряда, — это добротность. Двигатели Н.Д. Кузнецова — это добротные двигатели Они выглядят добротнее своего американского аналога JT3D разработки «Пратт-Уитни», придерживавшейся схожей концепции проектирования. Имея средний уровень параметров, эти двигатели были сконструированы по принципу минимальной суммы рисков. В некотором смысле для 1960-х гг. эти двигатели были оптимальными, т. е. они, скорее всего, обеспечивали минимальную стоимость жизненного цикла (т. е. минимальную сумму затрат на обслуживание, топливо, ремонт). Прежде всего ядром, или «сердцем», большинства ряда двигателей НК был газогенератор — 6-ступенчатый компрессор, кольцевая камера сгорания и одноступенчатая турбина. Как ядро двигателя это сочетание оптимально: механизация компрессора, а вместе с ней и проблемы ее длительной работоспособности отсутствует, умеренная нагрузка на одноступенчатой турбине идеально соответствует максимуму ее кпд. Это удачно сконструированное «сердце» долгое время было константой всех модификаций кузнецовских двигателей. Но в таком ядре получить, степень сжатия 15 и выше в то время было невозможно.

Поэтому требовалась постановка впереди дополнительных «бустерных», или подпорных ступеней, работающих только на внутренний контур (аналог наддува в поршневых моторах). Эти ступени, две или три, вместе с вентилятором, работающим на оба контура (наружный и внутренний), составляли компрессор (или каскад) низкого давления. Надежная двухвальная конструкция. Все было хорошо, пока не подорожало топливо.

В ОКБ Н.Д. Кузнецова очень тщательно занимались техническим совершенствованием отдельных элементов и узлов двигателя. Лопатки турбины, подшипниковые опоры и т. п. во множестве вариантов испытывались в лабораториях и стендах поузловой доводки. Именно на двигателе НК-12 впервые были применены литые лопатки турбины из жаропрочных сплавов. Как писал И. А. Биргер [7]: «Это предложение было технически дерзким. Несколько поколений инженеров воспитывалось на утверждении, что ответственные элементы конструкций, испытывающих большие статические и динамические напряжения, не могут быть литыми из-за более низкой пластичности. Но жаропрочность (при Т=1000 градусов Цельсия) литых сплавов выше, чем деформируемых. Оказалось, что можно работать и с малыми показателями пластичности, если в системе отсутствуют возможности больших статических перегрузок, что свойственно лопаткам турбин». Большое внимание уделялось ресурсу узлов и двигателя в целом. Как только ресурс двигателей достиг уровня 6000 часов, возникла проблема: как проводить длительные испытания в подтверждение ресурса. Ведь годовой фонд времени составляет около 7000 часов. Получается, что несколько двигателей необходимо «гнать» без остановки целый год, а далее и два, и три года! Затраты и керосина, и времени колоссальные. А в случае возникновения дефектов испытания нужно повторять. Именно в ОКБ Н.Д Кузнецова (М.Я. Цейтлин) была разработана технология ускоренных, так называемых эквиналентных циклических испытаний, при которых циклические нагрузки, требующие малого времени, воспроизводились полностью, а длительные статические нагрузки заменялись более короткими этапами испытаний, но… на более высоких режимах работы. Передовые технологические процессы осваивались именно на этой фирме, прежде чем они транслировались на всю отрасль. Так, в частности, осваивалась далеко не простая технология изготовления лопаток компрессора из титановых сплавов.