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.

---

В идущей в мире бескомпромиссной «войне моторов» невозможно победить без соответствия мировому уровню в применяемых технологиях проектирования двигателей. Сегодня проектирование ведется в «виртуальной реальности» (VR — virtual reality). Ниже мы дадим несколько впечатляющих примеров современных методов проектирования газотурбинных двигателей, в разработке которых принимал участие и автор настоящей книги. Следует отметить, правда, что полностью задача создания новой технологии проектирования еще не решена — требуются большие усилия ученых и инженеров, чтобы эта технология стала повседневной и, что самое важное, всеобщей практикой инженерного проектирования. Но многие элементы этой суммы технологий уже реально действуют в конструкторских бюро. Конечно, новая технология проектирования не упраздняет полностью предыдущую, термодинамическую, но ограничивает ее применение начальным этапом, когда требуется быстро просматривать десятки и сотни вариантов конфигураций будущего двигателя.

Сегодня уже на слуху 3D фильмы, компьютерная анимация и другие технологии создания визуальных образов. В технологии проектирования технических систем все эти 3D и 4D (с движением) технологии появились на двадцать лет раньше. Геометрия стала полностью аналитической и цифровой. Великая инновация Рене Декарта, связавшая любую точку пространства с тройкой чисел (координат), лежит в основе сегодняшней 3D технологии. Сегодня реализована полностью безбумажная технология проектирования и документооборота.

Возможность решать математические задачи численно (не аналитически), появившаяся в начале XX века в том числе в результате разработок соответствующих методов российскими учеными (потребность в этих методах возникла при проектировании броненосцев методами строительной механики — Галеркин и Бубнов) в сочетании с быстродействующими ЭЦВМ, допускающими параллельные вычисления (кластеры), привела к революции в проектирования двигателей. Сегодня [52], например, становится возможным еще на стадии проектирования спрогнозировать такие опасные и непредсказуемые ранее явления, как резонансные и автоколебательные (флаттер) поломки лопаток, и принять соответствующие меры до изготовления «железа» и испытаний. Наконец, проектирование малоэмиссионной камеры сгорания газотурбинного двигателя стало невозможным без интенсивного математического моделирования физических процессов в ней. Виртуальная реальность стала полем битвы непрерывно идущей «войны моторов». Примеров успешного решения проблем проектирования узлов двигателя и анализа реальных дефектов с помощью системы развитых математических моделей можно привести множество.

Результаты 4D-матмоделирования течения газа в колесе турбомашины: моментальное распределение температуры газа в среднем сечении межлопаточных каналов.

Наконец, другим полем битвы сегодня является создание новых конструкционных материалов и даже не столько синтезирование их новых свойств, как то: более высокая термопрочность, удельная прочность (т. е. отношение предела прочности к удельному весу материала) и т. п., но и их сертификация. А вот для сертификации материалов необходимо провести огромный объем испытаний образцов материалов на специальных нагружающих машинах, чтобы определить статистически значимый случайный разброс этих свойств от номинального значения. Если учесть, что испытания, например, на многоцикловую усталость требуют 106 циклов нагружения каждого образца, то становится понятно, что «война моторов» отныне ведется и в лабораториях прочности, где непрерывно идут такие испытания. Поскольку эти испытания весьма длительны по времени, то требуется большой парк этих испытательных машин. Несертифицированные материалы нельзя применять на двигателях — авиакомпания, использующая их в моторах на своих самолетах, легко может попасть в «черный список» ненадежных по безопасности компаний и подвергнуться санкциям в виде запрета полетов на наиболее выгодных трассах.

ГИПЕРЗВУК

Где еще существует ниша применения авиационных технологий, т. е. реализации управляемого полета в пределах земной атмосферы? Эта ниша — гиперзвук, т. е. полет со скоростями, в четыре и более (до шести) раз превышающими скорость звука. Как и все технологии, технология гиперзвука — двойная, т. е. гиперзвуковой самолет может быть как гражданского, так и военного назначения. Более того, область гиперзвуковых скоростей может быть использована и для функционирования воздушно-космического самолета.

В 1970—1980-е гг., в эпоху технического оптимизма, в Европе разрабатывались проекты воздушно-космических самолетов с горизонтальным взлетом и посадкой. Эти проекты были прямой конкуренцией американскому «Спейс Шаттлу» («Космическому Челноку»), космическому кораблю многоразового применения. «Челнок», как известно, стартует вертикально с помощью мощного ракетного ускорителя и после выполнения своей миссии приземляется по-самолетному. В Великобритании проект подобного челнока-самолета назывался «HOTOL» (Horisontal Take-Off Landing — «горизонтальные взлет и посадка»). Очевидно, что использование в качестве первой ступени воздушно-реактивного двигателя существенно повысило бы эффективность системы в целом.

В этом случае разгон в слоях атмосферы происходил бы с использованием при горении кислорода самой атмосферы, а не запасенного в баках ракеты.

Если «HOTOL» был проектом полностью ракетного самолета, то в тогдашней Федеративной Республике Германия проект воздушно-космического самолета предполагал применение воздушно-реактивного двигателя на первой ступени. Этот аппарат получил имя «Зенгер» в честь известного немецкого ученого и инженера Ойгена Зенгера, активно работавшего в 1930—1940-е гг. в Германии над созданием ракетных и прямоточных двигателей. Тогда, в 1980-е гг., казалось, что создание воздушно-космических систем вполне возможно. Скорее всего, технически так оно и было. Но эти многообещающие проекты так и не были реализованы по причине дороговизны разработки, непосильной для бюджета одной страны. Тем не менее и сегодня существует возможность возврата к этим проектам на базе международного сотрудничества и соответствующего разделения труда. Сейчас, после завершения концептуально весьма спорной программы американских «челноков», самое время приступить к созданию такой системы. Во всяком случае, для расширения кругозора полезно знать схему вывода на околоземную орбиту космического корабля с применением авиационных технологий.

Для примера рассмотрим вначале схему работы воз-душно-космического самолета «Зенгер». Это — двухступенчатый аппарат: первая ступень представляет собой гиперзвуковой самолет с турбопрямоточной силовой установкой, работающей на водороде, вторая ступень — ракета с жидкостным водородно-кислородным ракетным двигателем. «Зенгер» взлетает по-самолетному с помощью тяги обычных турбореактивных двигателей. Так же по-самолетному набирает высоту 11 км на дозвуковой скорости. На этой точке траектории (Н=11 км, М=0,8) самолет может совершать длительный крейсерский полет (1 — й крейсерский режим полета). Далее начинается разгон до числа Маха 3,5 с набором высоты до 20 км. В этой точке траектории турбореактивный двигатель выключается и капотируется, а вместо него включается прямоточный контур. На траектории имеется еще одна точка (2-й крейсерский режим), параметры полета в которой тоже обеспечивают длительный крейсерский полет (Н=25 км, М=4,5) самолета. Наконец, при достижении высоты 30 км и скорости полета, соответствующей числу Маха полета 6,8, происходит отделение и запуск второй, ракетной ступени. Как мы видим, эта ступень уже разогнана до высокой скорости и, следовательно, для выхода на околоземную орбиту ракете второй ступени потребуется существенно меньший запас энергии (топлива), чем в случае чисто ракетного старта с поверхности земли.

Напомним, что применение углеводородного топлива (керосина) при гиперзвуке ограничено уровнем числа Маха=4 из-за низкой в сравнении с водородом температуры пламени. Из-за этого ограничения с ростом скорости полета и увеличивающегося кинетического подогрева воздуха на входе при его торможении количество подведенного тепла уменьшается и соответственно уменьшается и совершаемая работа и термический кпд (вспомним формулу Карно). Поэтому для достижения эффективного преобразования химической энергии топлива в работу необходимо применять топливо с более высокой температурой пламени горения. Именно таким качеством обладает водород, но и он имеет ограничения по скорости, а именно Мmах= 7. Альтернативой этому является технология… охлаждения воздуха на входе в двигатель с помощью теплообменника-рекуператора с использованием хпадоресурса запасенного в баках горючего (жидкого водорода, имеющего низкую температуру).