С лимузина — на самолет
Разработка поршневого авиадвигателя на базе ДВС от семейства автомобилей Aurus позволит России обеспечить подъем в отечественной малой авиации за счет обеспечения ее силовыми установками собственного производства.
Малая авиация в России на грани исчезновения. Даже в сравнении с СССР, не говоря уже об Америке и Европе, где личный самолет — норма жизни: кому покататься, а кому за стадами присмотреть, поля обработать да жену в роддом отвезти. У нас же свободно не полетаешь, в отличие от той же Калифорнии, где пошел на аэродром на окраине деревни, вышел в эфир, запустил движок — и добро пожаловать на взлет. Аэродромы исчезают, матчасть выбывает по причине износа. А новой нет. Хотя и мощности по производству самолетов остались, и оснастка (например, на четырехместный Як-18Т) в наличии, и новые типы разработаны. Да только «без двигателя нет самолета». А двигателей нет. Серийных двигателей, подходящих для Як-18Т, Як-152, Ил-103, других наших машин, — нет.
Автомобильные есть, турбореактивные для лайнеров и истребителей есть, даже вот турбовинтовые для вертолетов начали появляться. А поршневых самолетных — нет.
Может, тогда приспособить автомобильные?
Отстали на полвека
Вообще-то автомобильные моторы, доработанные (иногда изрядно) для малой авиации, — редкость, но не невидаль. Как и авиационные на автомобилях. Любители авиации вспомнят как минимум модификацию двигателя Porsche 911 Turbo для малой авиации, а фанаты автомобильной истории — прославленный в одноименном фильме Фрэнсиса Форда Копполы Tucker конца 1940-х, оснащенный двигателем Continental. Сейчас наиболее популярные автомобильные двигатели для легких самолетов и вертолетов — Subaru ЕА-81 и ЕJ-22. Производитель выпускает готовые сертифицированные «киты» для их конвертации в авиаверсию (понижающий редуктор, турбокомпрессор, карбюраторы Bing или Weber, двойное зажигание, генератор увеличенной мощности).
Но то на Западе. В СССР пути авиаторов и автомобилестроителей не пересекались с конца 1930-х. После войны автомобильные двигатели медленно, но верно эволюционировали: с точки зрения и надежности, и малообслуживаемости, и технического совершенства — от удельного веса до удельного расхода топлива и масла. В малой же авиации рабочей лошадкой служили и служат модификации двигателя М-14 разработки 1948 года, конструктивно и технологически восходящего к середине 1930-х.
Но и эти прожорливые, дорогие в производстве, сложные и проблемные в эксплуатации двигатели перестали выпускаться лет пятнадцать назад. И пилотам-любителям приходится или латать и «добивать» это в полном смысле старье, или выискивать на румынских складах последние из выпущенных по лицензии «эм-четырнадцатых». Ну или покупать американские моторы, «Лайку» или «Контика», как ласково прозвали Lycoming и Continental наши авиаторы, — вместе с предназначенными для них самолетами, поскольку на «Як» их не поставишь: маловаты будут.
Да и те на самом деле хотя и опередили в развитии М-14, но ненамного, и их высокотехнологичные даже по нынешним меркам решения (марки сталей для цилиндров, технологии обработки) соседствуют с архаикой вроде механического впрыска с ручной высотной коррекцией, магнето с его контактами, воздушным охлаждением, вынуждающим пилота орудовать в полете рычагами подкапотных створок, избегая то перегрева, то переохлаждения. Да-да, авиационное поршневое моторостроение в силу разных причин и на Западе отстало от автомобильного минимум на полвека.
Заждались нового двигателя и создатели самолетов — в том числе тех, что еще в прошлом веке были разработаны и испытаны все под тот же М-14 и за неимением мотора остались в опытных образцах. А современный двигатель мог бы стать мощным (во всех смыслах!) стимулом для возрождения малой авиации в стране. И как индустрии, и как института — с инфраструктурой транспортного использования. Тех самых «летающих фордов», о которых грезили сто лет назад большевики и сам Генри Форд за океаном.
Михаил Лифшиц, председатель совета директоров компании «Ротек» (выпускающей, в частности, компоненты авиационных двигателей), обладатель ряда патентов в сфере самолетостроения, летчик, участник международных соревнований по пилотированию, характеризует ситуацию так: «Поршневых авиационных моторов в стране просто нет. Мы все летали и летаем на М-14П, но они заканчиваются. Уже закончились — сегодня это второй и третий ремонт. А в авиации есть такая формула: появился мотор — появилась под него линейка летательных аппаратов. Мотор для малой авиации очень нужен. Это один из ключевых факторов, и он потянет за собой много чего».
генеральный директор
ЦИАМ
Поэтому инициатива Центрального института авиамоторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ) разработать двигатель «калибра» 500 л. с. на основе уже доведенного на стендах силового агрегата лимузинов Aurus вызвала в среде авиалюбителей и оживление, и скепсис, порой ядовитый. Чтобы узнать ситуацию из первых рук, я приехал в ЦИАМ и поговорил с его генеральным директором, кандидатом технических наук Михаилом Гординым (кстати, пилотом вертолета).
Адаптация для «туристов» и «Циркача»
В начале разговора Михаил Валерьевич как мог остудил мой журналистский пыл: мол, тема «адаптация» — это не ОКР (опытно-конструкторская работа) а пока только НИР (научно-исследовательская работа). Проверка возможностей сделать из однозначно самого современного в России автомобильного двигателя авиационный. С использованием не только готовых узлов и деталей, но и результатов исследований и испытаний «донора». Чтобы с максимальной унификацией получить современный, надежный, долговечный, экономичный и простой в эксплуатации авиамотор.
«Это не коммерческая, а исследовательская задача. Наша цель — научиться, — подчеркнул генеральный директор ЦИАМ. — Суть в том, чтобы создать демонстраторы технологий, которые помогут подтвердить, что заявленные параметры возможны».
Но то, что для авиаторов НИР, для нас, людей земных (автомобилистов, например), вполне себе ОКР, пусть и в первой фазе. Уже опробованы разные варианты, воплощены в металле основные решения, и уже можно говорить о сложившейся принципиальной конструкции будущего авиамотора.
Сильно ли он отличается от базового, автомобильного? Как посмотреть. По меркам любителей радикального тюнинга и серьезных гоночных моторов (формульных, драгрейсинговых) все очень умеренно и деликатно. А вот для «простого» автомобилиста изменения серьезнейшие, и все они связан с адаптацией мотора к иной среде эксплуатации: в первую очередь к высоте (до шести тысяч метров), во вторую — скажем так, к разнообразному положению в пространстве.
Самое серьезное изменение — замена турбонаддува наддувом механическим. Причина — более простая адаптация последнего к изменениям высоты (а значит, обеспечение поступления кислорода в двигатель). К тому же и турбонаддув все равно пришлось бы делать заново — «аурусовский» слишком тяжел, инертен и громоздок для пилотажного самолета.
Вместо двух «улиток» турбокомпрессоров по бокам с приводом от выхлопных газов — одна большая спереди, приводимая от коленвала. «По науке» это называется ПЦН — приводной центробежный нагнетатель, в народе зовется компрессором, в гаражах — чарджером.
Это повлекло за собой не только перекомпоновку всей навески, которая к тому же большей частью иная, но и новые распредвалы: чарджер требует меньшего перекрытия фаз, а это тянет за собой и другие профили кулачков. Заодно упростили привод распредвалов, избавившись от ненужных здесь фазовращателей.
Второе принципиальное изменение — система смазки. Традиционная (со сливом масла в поддон) вольет в цилиндры литры масла (а значит, «загнет» клапаны и шатуны) в первом же комплексе фигур пилотажа, даже не высшего. А потому, как положено в авиации (и отчасти в автоспорте), система совсем другая, с «сухим картером», то есть откачкой масла в маслобак и, соответственно, питанием маслонасоса из него же.
И наконец, третье принципиальное изменение — переход с капризного непосредственного впрыска на классический с резервированием на случай отказа, в авиации без этого никуда. Даже при полетах на пилотаж не всегда для вынужденной посадки есть место — а если под крылом лес или, не дай бог, горы?
Два управляющих блока (причем не на «автомобильных» 12 вольтах, а на принятых в нашей военной авиации 27 вольтах), по одному на каждый ряд цилиндров, на каждый цилиндр по две форсунки и в ближайшей перспективе по две свечи. Откажет одна — останется работать вторая, а если сгорит блок управления, мотор все равно будет работать. При этом сама система (разработки известных питерских специалистов, компании «Абит») рассчитана на автомобильный (бессвинцовый) бензин, то есть устроена за вычетом напряжения привычным образом.
А еще по результатам исследования базового двигателя пришлось ограничить расчетную мощность с «автомобильных» 600 л. с. до 500 л. с. — авиамотор работает на повышенных режимах многократно большую часть времени, чем принятые в расчетах автомоторов два процента. Зато удалось оставить нетронутым блок цилиндров (да-да, никаких автогоночных хитростей вроде «нижней плиты», «старения на горячую», спецотливок — блок штатный).
Стандартные (а значит, дешевые благодаря многотиражности) и коленвал, и поршни-шатуны-клапаны, и большинство других деталей. Головка блока хотя и отличается от автомобильной, но обтачивается из той же отливки, что и у лимузинов, уже готовящихся к крупносерийному производству в Елабуге. Что, в свою очередь, сделает двигатель и конкурентоспособным по цене (вышеупомянутые 260–300-сильные «американцы» дешевле 50 тысяч долларов не бывают) и при этом может достаточно быстро окупить затраты на разработку. Даже при малосерийном (сотни штук в год) производстве — большего пока, при нынешней ограничительной политике в области малой авиации, трудно ожидать. Даже в этом случае двигатель должен быть коммерчески успешным и, что не менее важно, локализованным. Причем именно специальные авиационные узлы и детали будут локализованы с большей степенью вероятности — теми же компаниями, что поднаторели в автогоночных компонентах. То есть мы имеем новый рынок сбыта для наиболее квалифицированной части отечественной автоиндустрии. При этом в случае роста тиражности до четырехзначных годовых продаж себестоимость двигателя существенным образом сократится — при сохранении высокотехнологичности.
А еще в новый авиамотор заложена гибридность, или, как говорят в ЦИАМ, «частичная электрическость». Для двигателя разработан 30-киловаттный стартер-генератор, работающий сначала на запуск двигателя, на взлете или при резком добавлении газа — на добавление мощности, а затем на установившихся режимах (скажем, крейсерском, или, как говорят авиаторы, «на эшелоне») — уже как генератор, на зарядку штатных батарей. Не только для электропитания, но и как минимум для замещения пневмосистем электрическими. А там, если помечтать, и до электроприводов управления вместо тяг-тросиков недалеко, что открывает путь для «расширенного автопилота», позволяющего посадку в автоматическом режиме, как у «взрослых» самолетов. А беспилотным машинам (этот сегмент неуклонно растет, и в первую очередь для гражданского использования: осмотр трубопроводов, сельское хозяйство) «частичная электрическость» просто необходима.
Михаил Лифшиц напоминает еще об одной дополнительной возможности такого силового агрегата: «Современный ДВС может стать основой для разработки гибридного силового агрегата для авиации. Такая установка повышает общую эффективность и надежность летательного аппарата, и безопасность тех, кто внутри него». Гибридность — хороший задел на будущее, когда будет возможен полет на электротяге в крейсерском режиме, а то и малошумный взлет с полосы, расположенной в густонаселенном районе.
Цена такого прогресса — вес. Триста пятьдесят килограммов с «навеской», но без радиатора, — в полтора раза больше, чем у заслуженного 360-сильного М-14. Для пилотажной машины, чья задача — «крутить комплекс» над аэродромом в течение получаса, это может оказаться критичным, но и мощность здесь намного выше, и приемистость («реакция на ручку») будет несравнимо лучше, особенно в свете отсутствия необходимости постоянной работы с высотным корректором, а в ближней перспективе — и объединения воедино ручек газа и шага винта. Для «туристского» же самолета (вроде заслуженного Як-18Т) большая масса мотора будет с лихвой компенсирована меньшими запасами бензина и масла, а также лучшей аэродинамикой (вспомните звездообразный М-14 диаметром почти в метр).
Все собеседники соглашаются с тем, что мотору требуется самолет покрупнее. И, как один, не сговариваясь, упоминают двухмоторный аппарат на 9–19 пассажиров с дальностью до 500 км, то есть для местных линий. И наоборот, все подчеркивают избыточность двигателя для существующих машин — и «Яков», и Ил-103.
По словам Алексея Молчанова (летчик-спортсмен, летает на Су-26М), «в пилотажном спортивном самолете просто так движок на существенно более тяжелый не заменишь. Тем более на Як-52, у которого и так избыточная передняя центровка. То есть летать он, возможно, будет, но нормально крутить пилотаж — нет. Придется перепроектировать самолет. То же и с “туристами”. Як-18Т — очень специфичный самолет. Для чего он сейчас может быть нужен? Как “турист” перетяжелен, много лишнего, да и, боюсь, если его выпускать в текущем виде, будет еще неконкурентоспособен по цене. “Жрет” очень много при небольшой скорости (хотя тут частично вина движка). Западные самолеты прекрасно обходятся движками мощностью до 300–350 лошадиных сил, при этом меньше весят и быстрее летят. Да и в целом на 400–500 лошадиных сил четырехместный самолет — перебор. Нужно тогда делать шести-восьмиместный».
Другой наш собеседник, профессиональный пилот Василий Савинов, напоминает о сложностях с сертификацией. «Выбор автомобильного бензина снизит стоимость летного часа, но наложит серьезные ограничения на коммерческие перспективы. Перевозка пассажиров самолетами, работающими на автобензине, запрещена. Если испытания пройдут успешно и покажут перспективность новой разработки, то всем вовлеченным в его разработку и производство придется сделать серьезный шаг в “большую” авиацию. Помимо авиационной сертификации самого двигателя предстоит по авиационным стандартам сертифицировать и его разработчика, и производителя — завод в Елабуге. Без гражданской сертификации возможно применение двигателей лишь внутри России для военных целей, что очевидно ограничивает круг потенциальных потребителей и типов воздушных судов под его установку».
Споры, как видим, тем активнее, чем ближе мотор к реализации — поскольку все четче выясняется необходимость самолета, разработанного под этот двигатель (как, в общем, и принято в авиации, что лишний раз иллюстрирует правильность такого подхода). Пока же двигателю (точнее, прототипу — авиастроители это называют «демонстратором») предстоит стать на доработанную мотораму Як-18Т и на нем пройти осенью программу наземных испытаний.
В развитие этой темы недавно стартовала работа под названием «Циркач», проводимая ЦИАМ совместно с Сибирским научно-исследовательским институтом авиации. Она предусматривает уже летные испытания и калибровку в воздухе доработанного для высшего пилотажа двигателя — циамовцы предполагают наличие в модельной гамме не только «гражданской», но и «пилотажной» модификации. Летающей лабораторией выбран не менее известный и заслуженный Як-52, подходящий для «кручения» фигур.
Без помпы и шатунов
Как видим, серийное будущее «летающих лимузинов» по стандартам разработки «скоро», но по меркам потребителей все же «послезавтра». А вот реальное завтра — двигатель мощностью 150 л. с., головным разработчиком которого в рамках выполнения недавно открытой ОКР является ЦИАМ. Разработка «в одних руках» и степень готовности мотора вселяют уверенность, что уже через пару лет он будет доступен потребителям.
На первых порах — военным, выступающим в роли основного заказчика силовых установок для беспилотников. Но интерес к такому мотору велик и у создателей «цивильных» БПЛА, и у любителей авиации, сейчас летающих на, мягко скажем, требовательных к уровню сервисного обслуживания и дорогих в эксплуатации австрийских Rotax.
Для начала циамовцы при поддержке Фонда перспективных исследований смогли довести до успешной реализации проект по созданию демонстратора роторно-поршневого двигателя (РПД) в классе мощности 100 л. с., характеристики которого были подтверждены комплексом высотных и ресурсных испытаний. Реализовали концепцию, на которую махнули рукой и авто-, и мотостроители, но перспективность которой для малой авиации мало кем подвергается сомнению до сих пор. И здесь основой научно-технического задела по созданию двигателя послужили автомобильные технологии — доставшиеся в наследство с советских времен (в частности, АвтоВАЗа и ВНИИмотопрома). А применение циамовцами перспективных технических и технологических решений, например композиционных материалов и покрытий на их основе, позволило побороть узкие места РПД в виде износа уплотнений ротора и рабочей поверхности статора и существенно поднять ресурс «роторников».
Находящийся в разработке перспективный РПД-150Т — двухсекционный с турбонаддувом (здесь как раз у «турбо» имеются преимущества перед ПЦН) максимальной мощностью 150 л. с. (с возможностью ее повышения до 165 л. с.), массой порядка 100 кг, высотностью до десяти тысяч метров. Несколько больший расход топлива по сравнению с поршневыми двигателями с лихвой компенсируется как меньшей массой, так и лучшей приемистостью. Ожидаемый ресурс — не менее трех тысяч летных часов, что приемлемо не только для военных беспилотников, но и для гражданской пилотируемой и беспилотной техники.
«Заказчик ОКР — Минпромторг России, — говорит Михаил Гордин. — Я считаю, по-другому сейчас невозможно. ОКР дорого стоят, они связаны с большим объемом ресурсных испытаний и испытаний в ожидаемых условиях эксплуатации. Для того чтобы моторы правильно прошли все испытания, нужно как минимум шесть опытных образцов. Чтобы окупить ОКР, нужна серия. А серию пока может обеспечить только заказ Минобороны. Тут еще надо понимать, что серийно поршневые моторы у нас не производились лет пятнадцать. И наша задача, равно как и Минпромторга, и промышленности в целом — все это создать заново, перезапустить».
Пятисотсильный «авиа-Аурус» и 150-сильный РПД — лишь два примера двигателей для малой авиации, находящихся в разработке в ЦИАМ, у его соратников (например, УЗГА — Уральского завода гражданской авиации) и частных компаний. В сотрудничестве с отраслью в ЦИАМ разработан типоразмерный ряд перспективных силовых агрегатов. Помимо вышеупомянутых это двигатели в классах мощности 50, 80, 200 и 300 л. с., причем 200- и 300-сильные — дизельные, работающие на авиационном керосине. Но проблемы и перспективы авиадизелей, как и считающихся специалистами ЦИАМ перспективными в «калибре» до 50 л. с. авиационных электромоторов, — тема отдельного разговора.
Решение вопроса с двигателями позволит всему сегменту малой авиации вновь начать развиваться. Появление реальных технических предложений от отечественных производителей двигателей для самолетов и БПЛА не сможет не способствовать расширению рынка коммерческих грузоперевозок, проведению сельхозработ.
Конечно, необходимо разобраться с рядом регуляторных вопросов. Тут нельзя не отметить, что недавно введены новые федеральные авиационные правила, разрешающие самолетам малой авиации возить грузы и персонал заказчиков. Это позитивный шаг, однако во многом для успеха проектов в двигателестроении нужно максимально массовое производство для снижения стоимости агрегатов, и здесь «ослабление вожжей» в сфере полетов малой авиации было бы весьма кстати. Чтобы с околицы деревни можно было взлететь и без труда добраться до нужного места.
Фото: предоставлено ЦИАМ
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl