Советское двигателестроение

Небогатое наследство досталось Советской власти от старого строя в области авиационной техники, но особенно плохо обстояло дело с авиационными двигателями. Помнится, в двадцатые годы эксплуатировался ротативный, в котором вращаются цилиндры, а вместе с ними и воздушный винт, двигатель воздушного охлаждения М-2 мощностью 120 л. с. Строился он по образцу 9-цилиндрового французского двигателя «Рон». Затем осваивался 12-цилиндровый двигатель водяного охлаждения М-5 мощностью 420 л. с. — копия американского «Либерти» и, наконец, V-образный двигатель М-6 мощностью 300 л. с. по образцу французского «Испано-Сюиза». Устанавливались они на самолетах марки «Авро», «Ньюпор», «Фоккер», «Хавеланд», а также на некоторых других, состоявших в наших ВВС, и имели очень небольшой ресурс работы. Однако это обращение к [20] иностранным образцам позволило в достаточной степени снабдить нашу авиацию материальной частью, хотя и не первоклассной, готовить специалистов и организовать планомерную разработку отечественных авиационных моторов.

Пришло время, когда стало необходимым создание специализированных научно-исследовательских и опытно-конструкторских организаций. Рабочие группы профессора Н. Р. Брилинга, конструктора А. Д. Швецова явились теми небольшими ячейками, с которых началась организация отечественного моторостроения. В начале двадцатых годов Н. Р. Брилинг и конструктор А. А. Микулин в Научном автомоторном институте (НАМИ), а Б. С. Стечкин в винтомоторном отделе ЦАГИ вели работы в области отечественного авиамоторостроения. Практически же в серийном производстве с 1924 г. находился лишь сконструированный А. Д. Швецовым 5-цилиндровый звездообразный двигатель М-11 воздушного охлаждения мощностью 100 л. с., который устанавливался в течение многих лет на учебных самолетах У-2 (По-2), Позже было разработано несколько проектов двигателей, среди которых следует отметить 18-цилиндровый W-образный двигатель А. А. Бессонова. Он предназначался для тяжелых самолетов и по тому времени представлял собой силовую установку большой мощности. Особенность двигателя заключалась в том, что для поддержания мощности на высоте в нем использовался центробежный компрессор. Несколько позже был сконструирован 12-цилиндровый двигатель М-34 А. А. Микулина с жидкостным охлаждением и максимальной высотной мощностью 850 л. с. На протяжении 1931 — 1935 гг. создавались также двигатели водяного охлаждения М-32 (В. М. Яковлева), М-44 (Н. С. Сердюкова), а также двигатели воздушного охлаждения М-38 (Ф. К. Копцевича) и М-56 (Е. В. Урмина). И все же, поскольку техническая база в стране оставалась недостаточно развитой, авиационные двигатели в больших количествах закупались за границей.

Партия и правительство принимали меры к обеспечению строительства мощных, оснащенных современным оборудованием моторостроительных заводов. Директорами этих заводов стали выпускники Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского: Абрамов, Побережский, Марьямов (участники гражданской войны). Начальником Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) был назначен Л. В. Каширии, заместителем Наркома авиационной промышленности — В. П. Кузнецов. Одни из них прежде были авиационными механиками, другие — политработниками, а [21] затем те и другие стали авиационными инженерами-механиками, организаторами авиамоторной промышленности.

Огромную роль в организации, становлении я создании отечественного моторостроения сыграл заместитель Народного комиссара тяжелой промышленности, который до 1931 г. являлся и начальником Военно-воздушных сил, старый большевик Петр Ионович Баранов, Он всегда поддерживал опытные работы, направленные на развитие авиации, и отлично понимал, какую роль сыграет в совершенствовании моторостроения собственный научно-исследовательский центр, В 1933 г. Петр Ионович Баранов погиб в авиационной катастрофе. Имя его было присвоено Центральному институту авиационного моторостроения. Этот институт объединил научные и отчасти конструкторские силы, работавшие в этой области. В него вошли винтомоторный отдел ЦЛГИ, руководимый Б. С. Стечкиным, а также авиационный отдел Автомоторного института с конструкторами А. Л. Микулиным, В. Я. Климовым, В. А. Добрыниным и другими. Авиационная промышленность вскоре ощутила практические результаты деятельности института.

В первой половине тридцатых годов промышленность освоила двигатель АМ-34 отечественной конструкция. Семейство двигателей, начало которому было положено АМ-34, являлось длительное время одним из основных направлений развития отечественных: двигателей этого типа. Одновременно за границей были закуплены новейшие легкие и достаточно мощные двигатели и приобретены лицензии на их производство. Позднее на базе этих двигателей создавались двигатели М-25, М-62 и М-63 воздушного охлаждения (первое направление), которые устанавливались в основном на истребителях. Мощность их достигала 1100 я. с. Второе направление отечественного моторостроения заключалось в развитии двигателей с водяным охлаждением и V-образным расположением цилиндров — двигателей серии М-100 мощностью от 750 до 1800 — 1900 л. с. От своего французского прототипа они отличались настолько, что получили новое наименование ВК — по инициалам их создателя Владимира Климова.

Третье направление развития двигателей было нацелено на создание многоцилиндровых двухрядных двигателей воздушного охлаждения мощностью немного меньше 2000 л. с. Звездообразные двигатели воздушного охлаждения разрабатывались А. Д. Швецовым. Мощность этих моторов составляла 1800 л. с., затем 2400 и даже 4300 л. с. (АШ-2ТК).

Четвертое направление в создании двигателей вначале [22] базировалось на 14-цилиндровом двигателе М-85, На основе этого двигателя были затем разработаны под руководством С. К. Туманского двигатели М-87 и М-88. Оригинальным был также двигатель конструкции В. А. Добрынина ВД-4К — 24-цилиндровый, шестиблочный, мощностью до 4300 л. с. Но, как и двигатель АП1-2ТК, он не нашел применения, так как эпоха поршневых двигателей уже заканчивалась, а его испытания проходили уже после 1945 г.

Помимо бензиновых поршневых двигателей под руководством А. Д. Чаромского и Т. М. Мелькумова были созданы авиационные поршневые двигатели, работавшие на тяжелом топливе. Во время Великой Отечественной войны АЧ-40 применялся на некоторых тяжелых самолетах.

Последними поршневыми двигателями в авиации были многоцилиндровые двигатели особо большой мощности. Но и они уже не могли найти применения, хотя по совершенству конструкции сильно отличались от примитивных двигателей мощностью 80 — 100 л. с., выпускавшихся для самолетов в первой половине двадцатых годов.

В авиации, и в первую очередь военной, наступила пора газотурбинных двигателей. Большой вклад в развитие теории реактивных двигателей и авиационных лопаточных машин в нашей стране внес академик Б. С. Стечкин. Еще в 1929 г в его работе «Теория воздушного реактивного двигателя» были заложены основы теории двигателей, получившей развитие в последующих работах ученого. Практическая деятельность Б. С. Стечкина в течение десятков лет была связана с работой конструкторского бюро, возглавляемого А. А. Никулиным. Там и были созданы первые отечественные двигатели большой мощности. Один из них и сейчас стоит на бомбардировщиках Ту-16 и пассажирских самолетах Ту-104.

Над созданием газотурбинных двигателей (ГТД) работала и группа инженеров под руководством В. В. Уварова, которая в тридцатые годы вначале в лаборатории Военно-воздушной академии им, Н. Е. Жуковского, а затем на заводе создавала опытные образцы ГТД.

В этот же период конструкторы получили задание на проектирование мощных паровых турбин для тяжелых бомбардировщиков А. Н. Туполева. Однако в конце 1937 г. стала очевидной нецелесообразность такого рода разработок, а конструктор А. М Люлька предложил схемы одноконтурного и двухконтурного воздушно-реактивных двигателей. Построенные под его руководством образцы были поставлены на стендовые испытания, но дальнейшей работе помешала [23] война. Тем не менее проведенные исследования позволили продолжить конструкторские разработки газотурбинных двигателей. Начиная с 1945 г. в них участвовали коллективы А. М. Люльки, А. А. Микулина, В. Я. Климова и других. В целях ознакомления с иностранными газотурбинными двигателями сначала использовались трофейные немецкие двигатели, получившие наименование РД-10 и РД-20, и закупленные английские двигатели, названные РД-45 и РД-500. Немецкие двигатели были установлены на некоторых отечественных реактивных опытных самолетах, но никакого технического интереса не представляли. При малой силе тяги они имели большую массу и значительный расход топлива. Поэтому вскоре от них пришлось отказаться. Двигатели же РД-45 и РД-500 постепенно улучшались и модернизировались, так как их тяга была недостаточной для самолетов, в которых нуждалась наша страна.

В 1946 г. начались работы по созданию более мощных, с лучшими удельными параметрами отечественных двигателей, к которым в первую очередь можно отнести двигатель ТР-1 с тягой 1300 кгс, созданный А. М. Люлькой Это был первый отечественный двигатель, прошедший официальные испытания. В 1947 г. конструкторское бюро А. А. Микулина создало крупноразмерный двигатель ТК ВРД-1 с тягой 3780 кгс. Создание этого двигателя явилось началом развития реактивных двигателей с осевым компрессором, одним из которых являлся широко известный двигатель РД-ЗМ, Двигателей с подобной силой тяги (до 11500 кгс) в то время в мировой практике не существовало.

Исследования по газодинамике, термодинамике, сверхзвуковым компрессорам, а также по жаропрочным сплавам позволили создавать отечественные двигатели различного класса с хорошими удельными параметрами. Кроме того, появилась возможность увеличивать тягу двигателя на короткие промежутки времени за счет дожигания топлива за турбиной в форсажной камере.

В 1952 г. в КБ А. А. Микулина был построен двигатель АМ-5 с осевым компрессором тягой 2000 кгс, применявшийся на самолете-перехватчике Як-25. Двумя годами раньше закончилась разработка двигателя АЛ-5 с силой тяги 5000 кгс, несколько позже — двигателя ТР-7 (АЛ-7), Этот экспериментальный двигатель имел уже сверхзвуковые ступени компрессора, что позволило значительно уменьшить габариты и массу двигателя за счет уменьшения количества ступеней компрессора. Двигатели В. Я. Климова обладали принципиально новыми качествами вследствие форсирования [24] тяги форсажной камерой, которая явилась необходимой принадлежностью всех отечественных и иностранных турбореактивных двигателей, установленных в первую очередь на военных самолетах. Однако двигатели этого типа (с центробежным компрессором) могли применяться только на легких самолетах, так как тяга их ограничивалась низкой производительностью компрессора.

Как в свое время отошли в прошлое поршневые двигатели, так и турбореактивные двигатели с центробежными компрессорами постепенно теряли свое значение, поскольку не обеспечивали высокие степени сжатия и большие расходы воздуха, без чего невозможны современные мощные и экономичные газотурбинные двигатели. Создание их потребовало разработки высоконапорных компрессоров и применения новых жаропрочных сплавов для камер сгорания, лопаток и дисков турбин. С введением форсажных камер возникла необходимость устанавливать регулируемые выходные реактивные сопла.

В пятидесятые годы в конструкторском бюро, возглавляемом С. К. Туманским, был создан двигатель РД-9 с форсажной камерой. Он обладал рекордно низкой удельной массой и отличался малым расходом топлива. В фюзеляже самолета МиГ-19 устанавливались два таких двигателя, что в значительной степени обусловило сверхзвуковые летные характеристики этой машины. Дальнейший прогресс в развитии реактивной авиации определялся изысканием оптимальных; размеров компрессоров и турбин и достижением лучших коэффициентов полезного действия. Кроме того, необходимо было увеличивать температуру газа перед турбиной. Все это в конечном счете привело к созданию силовой установки, благодаря которой самолет достигал скорости, значительно превышавшей 2000 км/ч. Такой установкой явится двигатель РИФ-300. Применялся он на самолете МиГ-21 и получил широкую известность не только в нашей стране.

Как у нас в стране, так и за рубежом велась разработка неизвестного в авиационной технике турбовинтового двигателя (ТВД), который по своей экономичности для небольших скоростей полета значительно превосходил турбореактивный двигатель. Такие двигатели, созданные в конструкторских бюро Н. Д. Кузнецова и А. Г. Ивченко, получили широкое распространение на самолетах с дозвуковыми скоростями полета. Одним из наиболее экономичных двигателей этого типа является НК-12, установленный на самолетах Ан-22 и Ту-114. Созданный еще в начале пятидесятых годов, он и в настоящее время эксплуатируется на военных [25] и гражданских самолетах. Двигатель развивает эквивалентную мощность до 15000 л. с. На тяжелых 01ечествеипых самолетах, снабженных ТВД НК-12, установлен ряд мировых рекордов.

С другой стороны, вследствие падения коэффициента полезного действия винта на больших скоростях этот двигатель имеет ограничения по скорости. Сложна в нем также передача энергии от турбины через редуктор на винт. Все это вынуждало искать новые силовые установки.

В последние годы конструкторскими бюро созданы турбовентиляционные двухконтурные двигатели (ТРДД). Они создают меньше шума, чем ТРД и ТВД, и в настоящее время широко применяются как на пассажирских и транспортных (Ту-111, Ту-154, Ил-62, Як-40, Ил-76), так и на военных самолетах.

Особо трудной задачей явилось создание силовой установки для самолета, совершающего взлет и посадку вертикально. Трудность обусловлена прежде всего необходимостью иметь малую массу двигателя и менять направление тяги в зависимости от режима полета, так как в горизонтальном полете тяга должна быть направлена по продольной оси машины, а при взлете и посадке выходящие газы должны иметь вертикальное направление и создавать тягу, необходимую для поддержания самолета до перехода его в горизонтальный полет или до посадки. Исследования, проводившиеся в нашей стране, а также ознакомление с подобными двигателями иностранных авиационных компаний давали достаточно материала для обсуждения вопросов о схеме силовой установки для самолета указанного типа. Большой вклад в создание такого двигателя внесло ОКБ С. К. Туманского. В результате в 1967 г. на воздушном параде в Домодедово демонстрировался самолет с силовой установкой, вертикальная и горизонтальная тяги которой создавались поворотом струи газов, выходящих из реактивного сопла.

Турбореактивные двигатели, появившиеся в конце второй мировой войны, были значительно усовершенствованы в основном за счет улучшения конструкций. Широкие научно-исследовательские и экспериментальные работы, проведенные в последние 25 — 30 лет, позволили существенно повысить к.п.д. компрессоров и турбин и повысить максимальную температуру газа в двигателе. Достигалось это разработкой более жаропрочных конструкционных материалов и использованием более совершенных систем охлаждения турбин, и в первую очередь лопаток. Если в двигателях начала пятидесятых [26] годов температура газа перед турбиной равнялось 850° С, то сейчас она достигает 1400 — 1450° С. Столь значительные усовершенствования привели к соответствующему улучшению характеристик двигателей, и прежде всею к увеличению удельной тяги (тяги, получаемой с единицы массы газа) и уменьшению удельного расхода топлива. За эти же годы расход топлива снизился с 1,35 до 0,6 кг топл./кгс-ч (на дозвуковом режиме), а удельная масса (отношение массы к тяге) двигателя уменьшилась с 0,4 до 0,12 кг/кгс. Габариты двигателя в результате уменьшения числа ступеней компрессора и турбины уменьшились примерно в три раза. Вместе с тем срок службы двигателей между ремонтами возрос в десять раз и более.

Однако, по данным иностранной печати, улучшение характеристик двигателей привело к их значительному удорожанию. Так, например, стоимость двигателя американского самолета «Сейбр» пятидесятых годов составляла примерно 5 млн. франков, французского «Мираж-3» шестидесятых годов — 8 млн. франков, а шведского «Вигген» конца шестидесятых годов — 14 млн. франков. Иначе говоря, за 20 лет стоимость двигателя возросла почти в три раза. Справедливо замечается, что, если не принять мер, будет наблюдаться дальнейший рост стоимости двигателей. Применение композиционных материалов, армированных высокопрочными волокнами, а также все более сложных и более эффективных систем охлаждения турбинных лопаток позволит достичь большей температуры газа на входе в турбину и, значит, улучшить характеристики двигателя (тягу, удельный расход топлива, удельную массу). Однако его удельная и абсолютная стоимость, по-видимому, также значительно возрастет.

Во главе коллективов, создающих авиационную технику, стоят генеральные и главные конструкторы. Они не только руководят коллективами конструкторских бюро, но и объединяют результаты труда многих научных институтов и смежных организаций, участвующих в создании самолетов, вертолетов и двигателей, используют в разработках все новое, передовое, созданное наукой и техникой.

Автор книги прослужил в Военно-воздушных силах 66 лет и имел непосредственное отношение к созданию советской авиации, многие годы тесно сотрудничал с выдающимися отечественными авиационными конструкторами.

В подготовке рукописи труда к изданию принимал участие профессор, доктор технических наук Б. А. Пономарев, которому автор приносит свою благодарность. [27]