Академик РАН Евгений Каблов: для самолетов, что строятся в России, созданы конструкционные материалы и двигатель нового поколения
Чужих в секреты не посвящают
Александр Емельяненков
Большие ожидания связывают в нашей стране с созданием нового среднемагистрального авиалайнера МС-21 и в особенности двигателя для него. В конце 2018 года Росавиация уже выдала сертификат типа на базовую модель газотурбинного авиационного двигателя пятого поколения ПД-14, что стало рубежным событием для его разработчиков — генерального конструктора Александра Иноземцева и его конструкторского бюро, завода-изготовителя («ОДК - Авиадвигатель», «ОДК - Пермские моторы») и для всей Объединенной двигателестроительной корпорации.
А в начале апреля Минпромторг России объявил тендер на доработку двигателя ПД-14 — уже с целью его международной сертификации в Европейском агентстве по безопасности.
Незадолго до этого стало известно, что из-за новых антироссийских санкций перекрыты поставки из США и Японии материалов для композитного крыла самолета МС-21. Сумеем ли мы в условиях жесткой экономической блокады и политического противодействия выйти на высококонкурентный рынок? Есть ли у нашей страны подобающий задел — научный, научно-технологический, конструкторский? Как развивается научно-производственная кооперация в этой сфере и есть ли нужные компетенции на профильных предприятиях отрасли?
Генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), президент Ассоциации государственных научных центров «Наука», академик РАН Евгений Каблов убежден, что сможем. И потенциальные возможности для этого у страны есть.
На чем основана такая убежденность, Евгений Николаевич?
Евгений Каблов: На большом опыте научной, экспериментальной и производственной работы в области авиационного материаловедения. Более 45 лет работаю в авиационной промышленности, в известном научном центре ВИАМ, разработки которого обеспечили создание и выпуск более 95 процентов авиационной и ракетно-космической техники в СССР. Прошел путь от инженера-исследователя до генерального директора института и здесь же стал академиком.
Поэтому ключевые, поворотные события в развитии авиационной промышленности СССР проходили на моих глазах и при активном моем участии как ученого в области жаропрочных сплавов и технологии литья охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) с регламентированной макроструктурой.
Почему этот, понятный лишь специалистам технический аспект вы в первую очередь выделяете?
Евгений Каблов: Поясню на примере. В 70-е годы прошлого века перед авиационной промышленностью СССР стояла задача освоения в производстве ГТД четвертого поколения для новейших истребителей: легкого МиГ-29 и тяжелого Су-27. Изначально двигатели этого поколения имели турбину с литыми лопатками с высокой эффективностью охлаждения. Сложная конструкция внутренней полости охлаждаемой лопатки приводила к их термоусталостному разрушению при наработке только 30 процентов ресурса.
Разработанная в ВИАМ технология поверхностного модифицирования охлаждаемых лопаток нового двигателя обеспечила достижение заданного ресурса при сдаточных испытаниях на заводах.
С учетом наших предложений началась кропотливая работа по увеличению ресурса двигателя в конструкторском бюро и на серийных заводах. Именно в этот период, когда имел возможность общаться и напрямую взаимодействовать с такими выдающимися конструкторами как академик Архип Люлька, академик Николай Кузнецов, Александр Саркисов, я получил и бесценные знания, и практический опыт. Прежде всего по доводке конструкции важнейшей детали турбины — той самой охлаждаемой лопатки, которая работает при температуре газа перед турбиной на 400°С выше точки плавления материала самой лопатки.
Для газотурбинного двигателя это ключевой момент?
Евгений Каблов: Я больше скажу. Способность государства производить литые охлаждаемые лопатки — показатель высочайшего уровня развития машиностроения. Это во-первых. А во-вторых — об этом мало кто знает, — государств, способных производить современные авиационные турбореактивные двигатели, меньше, чем стран, обладающих ядерным оружием. Или тех, что запускают в космос спутники. Всего четыре страны — Великобритания, Россия, США и Франция — владеют технологиями полного цикла создания современных турбореактивных двигателей. Тот же Китай, к примеру, несмотря на предпринимаемые усилия, добиться этого пока не может. Да, китайские ученые быстро скопировали наш истребитель Су-27, однако скопировать его двигатель АЛ-31Ф им до сих пор не удалось.
И вынуждены покупать его в России?
Евгений Каблов: Да. Вот почему технологии разработки авиационных двигателей оберегаются как важнейшая государственная тайна. И касается это не только военной авиации, но и гражданского флота. Французы, к слову, предложили нам газогенератор в составе совместного с НПО «Сатурн» двигателя SaM14б, который устанавливается на самолеты Sukhoi SuperJet 100. Но российских разработчиков к газогенератору и близко не подпустили. ЦИАМ — Центральный институт авиационных материалов — даже ни разу не разобрал, не посмотрел, что у них там ломалось. Хотя поломки были, и в каждой такой ситуации газогенератор отвозили на ремонт во Францию —там все сами делали, не приглашая российских специалистов.
Повторю: к газогенератору чужих не подпускают.
В чем принципиальные отличия ПД-14 и вообще авиадвигателей пятого поколения от того, что было прежде? Спрашиваю вас не как генерального конструктора, а как генерального материаловеда...
Евгений Каблов: Для начала нужно отметить, что двигатель четвертого поколения ПС-90А, который используется в гражданской и военной авиации, был разработан и создан еще в СССР под руководством генерального конструктора Павла Соловьева. После распада Советского Союза никаких новых двигателей у нас не создано.
Инновационность проекта, получившего шифр ПД-14, состоит в том, что при его разработке удалось получить качественное изменение основных параметров рабочего режима двигателя. Мы добились увеличения степени двухконтурности в два раза, температуры газа перед турбиной — на 100 позиций по шкале Кельвина, суммарной степени сжатия в компрессоре — на 20 процентов.
Отдельно необходимо отметить разработку технологии литья охлаждаемых лопаток ТВД с монокристаллической структурой из нового жаропрочного сплава, легированного рением, рутением. А использование композиционных материалов в конструкции двигателя и мотогондолы, полые широкохордные титановые лопатки вентилятора существенно снизили массу двигателя.
Как это отразилось на его ключевых показателях?
Евгений Каблов: Удельный расход топлива снизился на 12 процентов, а экономичность работы двигателя и соответствие экологическим параметрам значительно повысились. По расчетам, эксплуатация двигателя обойдется на 14—17 процентов дешевле действующих аналогов, а общая стоимость жизненного цикла снизится на 15—20 процентов.
Эти и другие параметры удалось обеспечить во многом благодаря применению 20 новых материалов, разработанных учеными ВИАМ. Именно наш институт в этом проекте отвечал за создание принципиально новых конструкционных высокотемпературных металлических, интерметаллидных, композиционных, керамических, естественно - композиционных, функциональных материалов и технологий изготовления крупногабаритных полуфабрикатов и деталей. Важнейшей составляющей этого проекта являются технологии создания широкохордной лопатки вентилятора из ПКМ, легких лопаток из интерметаллидных титановых сплавов, лопаток турбины высокого давления с моно- кристаллической структурой.
Наш институт на протяжении десяти лет ведет активную работу с предприятиями ОДК в области разработки, исследований, производства и внедрения материалов нового поколения в конструкцию перспективных газотурбинных двигателей.
В конструкции перспективного двигателя ПД-14, в частности, внедрены супержаропрочные монокристаллические сплавы для рабочих и сопловых лопаток с высокоресурсными жаростойкими и комплексными теплозащитными покрытиями. Высокопрочные конструкционные стали и деформируемые никелевые и титановые сплавы нового поколения использовались при изготовлении валов, дисков и корпусов.
Кроме того, методом аддитивных технологий из отечественной металлопорошковой композиции в ВИАМ изготовлена «боевая» деталь двигателя ПД-14 — завихритель фронтового устройства камеры сгорания. При этом технологический цикл составил всего шесть дней при стопроцентном выходе годного, тогда как традиционный технологический цикл — литье по выплавляемым моделям—составляет 60 дней при выходе годного не более 40 процентов. При этом производительность труда была увеличена в десять раз. Но главное—это решение позволило добиться существенного снижения эмиссии NOх, СОх.
Не без участия ВИАМ создана и мотогондола для ПД-14?
Евгений Каблов: Так и есть. Впервые в отечественной инженерной и технологической практике, по инициативе генерального конструктора сконструирована и изготовлена мотогондола ПД-14 из отечественных полимерных композиционных материалов. Наши материалы обеспечили снижение массы конструкции при сохранении требуемых упруго-прочностных свойств, в том числе ударной вязкости и стойкости к климатическим факторам.
Для сравнения: на SSJ-100 мотогондола поставляется из-за рубежа, стоит порядка двух миллионов евро, а у ПД-14 мотогондола в полтора раза дешевле.
Аддитивные технологии в этом проекте уже применяются?
Евгений Каблов: Разумеется. И они, я уверен, сыграют ключевую роль в доработке базового газогенератора и всей перспективной линейки двигателей на его основе. А ВИАМ является стратегическим партнером ОДК в реализации стратегии корпорации по внедрению аддитивных технологий.
Из наших достижений в этой области отмечу прежде всего создание замкнутого цикла аддитивного производства деталей сложных технических систем. Он включает производство высокочистой расходуемой шихтовой заготовки, получение из нее мелкодисперсных металлопорошковых композиций отечественных сплавов (в том числе на основе титана, никеля, железа, кобальта, алюминия) и разработку технологий селективного лазерного сплавления деталей из них с последующей газостатической и термической обработкой.
К настоящему времени для предприятий ОДК аддитивными методами выпущено более 500 типов деталей, причем все они изготовлены из отечественных материалов.
ВИАМ, и это не секрет, институт особый. Вы проводите полный цикл исследований в отношении новых материалов, создаете условия для перехода к их промышленному выпуску, а в ряде случаев организуете у себя же малотоннажное производство...
Евгений Каблов: Это действительно так. ВИАМ на своей собственной базе организует серийное малотоннажное производство металлопорошковых композиций с последующей их сертификацией для ведущих моторостроительных предприятий. В институте спроектирован и изготовлен промышленный атомизатор с так называемой бестигельной плавкой. Тем самым решена задача изготовления титановых и интерметаллидных металлопорошковых композиций.
Отличительной особенностью ВИАМ всегда было то, что создав материал, при наличии паспорта и документации на него, мы выходим на завод и на производстве отрабатываем выпуск определенных видов полуфабрикатов из этого материала — исходя уже из требований конструкторов. В этом вся суть взаимодействия. Сила ВИАМ в том, что мы всегда освоение новых материалов заканчивали отработкой производства полуфабрикатов на заводе-поставщике.
Но в последние два десятилетия, в силу того что ситуация в стране и отрасли сильно изменилась, мы последовательно организовали у себя 25 малотоннажных производств. Мы производим лучшие жаропрочные сплавы с минимальным содержанием вредных примесей — серы, кислорода, азота, которые не должны превышать 5 ppm. Все металлургические заводы — где- то на уровне 18—20. А разница между пятью и двадцатью предполагает сотни тысяч часов ресурса! Если мы хотим, чтобы авиационные двигатели имели высокий межремонтный ресурс, необходимо добиваться высочайшего качества материалов.
Но здесь же хочу заметить: создать новый материал — полдела: для его использования в гражданском авиадвигателе необходимо выполнить большую работу по общей и специальной квалификации и оценке соответствия производства международным нормам...
Иначе ему не бывать за пределами России?
Евгений Каблов: Да, и правила тут очень строгие, поскольку речь идет о безопасности людей. То же самое относится и к самому процессу изготовления двигателя: предприятиям отрасли требуется сертификация по нормам Европейского агентства авиационной безопасности (ЕАSА).
Подводя итог этой части нашего разговора, хочу подчеркнуть: ПД-14 — это не просто современный двигатель пятого поколения. На базе его газогенератора будет создан ПД-8 взамен SaM146, ПД-12 — для вертолетов, ПД-35 —для транспортного и пассажирского авиалайнеров. А сама разработка ПД-14 проходила по новой, цифровой технологии, благодаря чему уже седьмой экземпляр двигателя был собран в Перми по технологии серийного производства, в то время как раньше опытная партия изготовлялась в количестве до 35 экземпляров. По разным оценкам, проект ПД-14 создал и сохраняет для России от 10 до 12 тысяч высококвалифицированных рабочих мест.
Ключевой момент: как все начиналось
За вклад в разработку и сертификацию авиадвигателя ПД- 14 многие сотрудники Объединенной двигателестроительной корпорации получили награды Минпромторга России. Как формировалась нынешняя кооперация и при каких обстоятельствах родилась сама ОДК?
Евгений Каблов: Началось все нестандартно и во многом неожиданно. Здесь, где мы говорим с вами сейчас, 11 лет назад случился другой разговор. Тогда, в 2008-м, у нас в институте побывал президент России Владимир Путин, а с ним — глава Минпроморга Виктор Христенко.
Вдвоем?
Евгений Каблов: Да. Владимир Владимирович поздоровался и говорит: «Вот, обещал приехать — приехал. Рассказывайте.» И я, как сумел, объяснил, что российскому авиапрому позарез нужен свой новый двигатель. И вкратце обрисовал, что это такое, какая сложная конструкция. А наш президент, скажу я вам, умеет слушать и вникать. И когда я доложил, что у нас для литья лопаток турбины высокого давления разработаны технологии, в 30 раз эффективнее американских, а потом упомянул технологии получения литых охлаждаемых лопаток с высокой эффективностью охлаждения, про жаропрочные сплавы с рением, рутением, которые позволяют поднять температуру газа перед турбиной до 1900 К, он остановил меня вопросом: «А что же не внедряете?» «Денег нет», — говорю. «А есть на что их тратить?» — «Есть. В Перми конструктор Александр Иноземцев создает новый газогенератор и базовый авиадвигатель на его основе ПД-14». «Ну что тогда? — обратился президент к министру Христенко. — Виктор Борисович, готовьте предложения». Позадавал еще вопросы и уехал.
А самого Иноземцева при этом разговоре не было?
Евгений Каблов: Было, повторю, три человека — Путин, Христенко и я. Примерно через неделю мне позвонил Виктор Борисович Христенко и говорит: «Вчера в два часа ночи вышел от президента в Ново-Огарево. Владимир Владимирович подписал поручение о выделении 12,8 миллиарда рублей на создание нового газогенератора».
И вот когда случилось это решение, появились реальные деньги, их надо было отслеживать. Тогда и была создана Объединенная двигателестроительная корпорация.
Если со стороны смотреть, получается, что ВИАМ не только известный центр фундаментальной и прикладной науки, но и центр кристаллизации идей и организационных решений, инициатор большой и продуктивной научно-производственной кооперации?
Евгений Каблов: Выходит, так. Раньше, еще до визита к нам, президент Путин поддержал наши предложения по организации малотоннажных производств на базе института-разработчика. Для развития и повышения конкурентоспособности это момент чрезвычайно важный. Но часто оказывается, что крупным предприятиям невыгодно (себе дороже) осваивать выпуск инновационной продукции небольшими партиями, когда счет на килограммы или даже несколько тонн. Президент нас услышал и поддержал. И когда приехал к нам, мы уже делом отчитались — показали уникальное производство по выпуску жаропрочных сплавов. Во многих отношениях они соответствуют лучшему зарубежному уровню, а в чем-то их и превосходят.
А по каким позициям идет конкуренция между создателями авиационных двигателей и газогенераторов?
Евгений Каблов: Нам нужен газогенератор, который позволит получить температуру газа перед турбиной не менее 1900 — 2000 по шкале Кельвина. Получить степень сжатия 61. И обеспечить минимальный выброс окислов NОх — так, чтобы он был на 30 процентов ниже того уровня, что установлен нормами ИКАО в 2008 году.
Чтобы пройти международную сертификацию?
Евгений Каблов: Да. В ином случае не сможем летать. Если поставим на самолет двигатель, не отвечающий этим требованиям, нас не пустят в Европу, Америку. А тот газогенератор, что создан под руководством Александра Александровича Иноземцева, в новые правила вписывается и рассматривается сейчас как основа для более мощного двигателя. Не на 14 тонн, как у ПД-14, а на 18 и больше. Это открывает для России возможность создать большую линейку газотурбинных двигателей.