Авиационное двигателестроение. дорога в завтрашний день
admin
Современный авиационный двигатель — одно из высших творений человеческого разума. По организации рабочего процесса, по сложности применяемых технических решений, по теплонапряженному состоянию, термодинамическому совершенству, по уникальным показателям удельной массы и объема ему (авиационному двигателю) нет равных среди других механизмов и машин. Успех создания конкурентоспособного авиационного двигателя определяется развитием более 30 отраслей науки и техники. Авиационное двигателестроение стимулирует инновационное развитие целого ряда других отраслей — металлургии, станкостроения, агрегатостроения, электроники, нефтехимии и др. Для создания двигателя требуется развитая инфраструктура высокотехнологичных отраслей промышленности, наличие многочисленных коллективов высококвалифицированных специалистов и значительные финансовые вложения. Поэтому весь цикл разработки, изготовления авиационного двигателя по силам только богатым высокоразвитым странам с высоким научно-техническим уровнем.
Для того, чтобы наиболее эффективно применять новые технические решения при создании двигателей летательных аппаратов, предварительно проводятся тщательные исследования отдельных элементов и узлов новых конструкций. Это позволяет достигнуть максимально возможного уровня технического совершенства интегрированного объекта, снизить сроки и стоимость его разработки. В рамках таких работ создаются демонстрационные газогенераторы и двигатели. Эти программы по созданию перспективных технологий имеют национальный или интернациональный характер.
Доля бюджетного финансирования работ по опережающим разработкам в различных областях техники зависит от целей конкретной программы и необходимого уровня готовности разрабатываемых технологий. В среднем она составляет примерно 50%. В авиационном двигателестроении с помощью этих программ осуществляется эффективное управление технологическим развитием, обеспечивается конкурентоспособность компаний. Основные участники программ — крупные авиадвигателестроительные компании, которые связывают работы по этим программам со своими перспективными разработками. Этим обеспечивается быстрое внедрение разработанных технологий, в том числе и в двигатели, находящиеся в эксплуатации.
Для выполнения основных направлений работ по программам создается вспомогательный уровень, охватывающий моделирование высокого уровня, работы по конструкционным материалам, фундаментальные исследования по снижению шума и эмиссии, по технологиям изготовления и методическим работам в обеспечение снижения стоимости жизненного цикла двигателя.
В создании современного авиационного двигателя роль научных исследований — определяющая. Их значимость и объем возрастает с каждым новым поколением. Так, при разработке двигателей 4-го поколения на опережающие научные исследования (по экспертной оценке) затрачено 15…20 % от объема финансирования всего проекта, а для двигателей 5-го поколения эта цифра возросла до 50…60 %. Прогноз на двигатель 6-го поколения: более 70 %. Каждое новое поколение двигателей ставит перед исследователем и разработчиком все более сложные задачи в области повышения экономичности, снижения шума и эмиссии вредных веществ, повышения надежности, увеличения ресурса и снижения стоимости эксплуатации. Совершенно очевидно, что, не обладая необходимым уровнем технологической готовности к воплощению новой конструкции, невозможно создать конкурентоспособные машины.
На мировом рынке авиационной техники двигатели являются самостоятельным дорогостоящим финальным продуктом с годовым оборотом более 30 млрд долл. (а с учетом ГТУ — 54 млрд долл.) Длительность создания базового двигателя нового поколения, в 1,5…2 раза превышает срок создания нового летательного аппарата. Разработка базового двигателя нового поколения занимает 12…15 лет и требует финансовых вложений в несколько миллиардов долларов. Эти сроки и цифры, однако, можно уменьшить, применяя при создании базового двигателя нового поколения отработанные заранее конструкторско-технологические решения, новые технологии и опыт.
По применяемым обычно в мире Регламентам разработки авиационного двигателя, вся работа ведется по утвержденному техническому заданию и открывается стадией демонстрации концепции, обеспечивающей подтверждение возможности получения заданных характеристик и надежной работы на всех эксплуатационных режимах при испытаниях двигателей-прототипов, в том числе в летных испытаниях. На этой стадии проводится конкурс, выбирается разработчик и уточняются технические требования к будущему двигателю. После подведения итогов конкурса начинается стадия обеспечения требований, подготовки к производству и ввода в эксплуатацию (ОТПЭ). У нас в России эта стадия называется Опытно-конструкторская разработка (ОКР). В ходе ее заказчик заключает с разработчиком двигателя контракт, в который включается также полное обслуживание летных испытаний и разработка системы послепродажного обслуживания. На стадии ОТПЭ предусматривается проведение экспертизы хода работ, чтобы снизить различные риски при разработке и сертификации двигателя.
Регламент разработки гражданского двигателя имеет некоторые отличия, обусловленные коммерциализацией проекта, необходимостью максимального удовлетворения потребностям рынка в течение длительного периода эксплуатации. На стадии демонстрации концепции двигателя проводятся широкие маркетинговые исследования, рассматриваются альтернативные решения в целях оптимизации стоимости, эффективности, эксплуатационных характеристик, оценивается риск принятия различных технических решений. Особое внимание уделяется обеспечению надежности двигателя, что достигается высокой преемственностью конструкции, применением только апробированных в испытаниях новых технических и конструкторских решений, междисциплинарных расчетов высокого уровня на прочность с учетом запасов по основным параметрам для создания на основе базового газогенератора семейства двигателей различной тяги, подтверждения заложенной при проектировании прочностной надежности с помощью испытаний (специальные испытания узлов и деталей при предельных нагрузках, с превышением рабочих параметров, с повышенным дисбалансом и др.). Решение о начале полномасштабной разработки принимается только после получения определенного гарантированного заказа на двигатель.
Низкий уровень технического риска при вводе двигателя в эксплуатацию независимо от его назначения обеспечивает единая последовательность проведения испытаний. Целью испытаний является проверка характеристик, механической прочности, оценка напряжений и вибраций в деталях конструкции, определение характеристик во всей области эксплуатационных режимов работы. В единую последовательность обычно включается как общая система препарирования объекта различными датчиками, его тензо- и виброметрирование, так и полный спектр экспериментальных исследований: наземные испытания, испытания на выносливость и эквивалентно-циклические испытания (ЭЦИ), высотные испытания в термобарокамерах и/или летающих лабораториях, проверку ресурса «горячей» и «холодной» частей двигателя, квалификационные испытания и специальные испытания. Для проведения наземных испытаний в настоящее время используются от 7 до 10 двигателей. В результате применения указанной методологии сроки разработки и ввода в эксплуатацию двигателя, а также число двигателей, используемых в доводке, постоянно уменьшаются.
Существенное отличие вновь создаваемых авиадвигателей ото всего, сделанного ранее также и то, что сейчас основные производители их стремятся стать системными интеграторами в программах создания и эксплуатации. Для этого производится перераспределение сил и устанавливаются партнерские отношения с передовыми производителями комплектующих и эксплуатантами. В современных условиях практически ни один двигатель не создается без внутренней или международной кооперации, при которой ведущие изготовители являются звеном, объединяющим все усилия. Такой подход позволяет объединить передовые технологии и разделить риски, свойственные любой программе разработки новой техники.
Такие объединения создаются на весь срок действия программы по двигателю, продолжительность которой может охватывать несколько десятилетий, начиная с первых маркетинговых исследований, и включать также разработку, изготовление, процесс продажи и послепродажное обслуживание. Причем такие работы ведутся как на базовом двигателе, так и на его модификациях. Системные интеграторы и участники объединений, несут свою долю рисков и получают свою часть доходов. Это принято сейчас именовать «RRS-партнерством». И такое распределение существенно, поскольку одни и те же специализированные на проектировании и/или производстве отдельных комплектующих (центры компетенции) компании, обладающие передовыми технологиями и технологическими процессами, одновременно сотрудничают с несколькими ведущими производителями авиационных двигателей.
Участник совместных работ получает свою долю, определенную перед началом деятельности. Величина этой доли зависит от объема продаж. Он оплачивает главному подрядчику его работу по управлению программой, обеспечению координационных связей и общение с заказчиками. Таким образом, кроме прав на долю при продаже двигателя, участник программ несет и ответственность за сроки поставок этого двигателя заказчику, а также — свою долю риска возможной неудачи программы.
При этом, если участник совместных работ не принимает непосредственного участия в какой-то их части, необходимой для общего хода дел (например, в разработке конкретного узла будущего летательного аппарата: двигателя, агрегата, планера), то он платит главному подрядчику за эту работу (пропорционально своей доли). Таким же образом оплачивается и проведение сертификации двигателя на летательных аппаратах, на которых устанавливается разрабатываемый двигатель, приобретение необходимого оборудования для проведения работ и поставка запасных частей для того узла, за который он отвечает в программе.
В настоящее время четыре ведущие компании: General Electric Aircraft Engines, Pratt&Whitney, SNECMA Group и Rolls-Royce plc, на долю которых приходится почти 100 % поставок новых двигателей, предлагают заказчикам семейства современных авиационных двигателей в широком диапазоне тяг для пассажирских самолетов различного назначения (от самолетов авиации общего назначения до магистральных лайнеров большой пассажировместимости). Ведущие компании являются многопрофильными структурами, объединяющими выпуск продукции с послепродажным обслуживанием (авиационных двигателей гражданского и военного назначения, энергетических установок различного применения) и оказание финансовых услуг (страхование, лизинг самолетов и двигателей, кредитование перспективных разработок и прочее). Создание семейства двигателей на основе базового газогенератора обеспечивает существенное снижение сроков и затрат на всех этапах жизненного цикла.
Стоимость продаж авиационных двигателей, энергетических установок на их основе и услуг по послепродажному обслуживанию у ведущих компаний составляет от 4 до 29 млрд. долл., что соответствует от 20 до 90 % общего объема оборота фирмы. При этом доля военной продукции составляет от 2 до 25 %, доля экспорта — от 45 до 82 %, а затраты на проведение НИОКР — от 2 до 17 %. Причем доля бюджетного финансирования НИОКР у компаний изменяется от 22 (GE) до 58 % (PW и RR).
В недалеком прошлом авиационное двигателестроение нашей страны представляло мощную высокотехнологичную отрасль, способную разрабатывать и производить всю номенклатуру двигателей для военной и гражданской авиации и вертолетов. В 80-е годы доля продукции отечественного двигателестроения на мировом рынке составляла 25…30%. В эти годы был создан совокупный научный, инженерный и технологический потенциал, позволивший создать одни из самых совершенных в мире двигатели: РД-33 для МиГ-29, АЛ-31 для Су-27 и НК-32 для Ту-160, модификации которых будут верой и правдой служить долгие годы.
Изменения в экономике, произошедшие в начале 1990-х годов, привели к резкому сокращению закупок авиационных двигателей в связи с обвальным падением объемов продаж отечественных самолетов и вертолетов, «обнулением» заказов для государственных нужд при отсутствии современных механизмов продвижения на рынок серийно изготавливаемой конкурентоспособной авиационной техники (Ил-96, Ту-204, Ту-214, Ил-114 и др.)
Полное прекращение разработки новых двигателей и сокращение серийного выпуска привело к замедлению развития технологического уровня проектирования и производства, устареванию основных производственных фондов и существенным кадровым потерям. При этом ухудшался и качественный состав кадров в сфере владения современными конструкторскими и производственными навыками. Аналогичные процессы развивались и в прикладной авиационной науке в связи с кардинальным сокращением государственного финансирования НИОКР. В результате этого произошло существенное отставание отечественного авиадвигателестроения от ведущих зарубежных фирм. Более 20 лет не закладывалось ни одного нового авиационного двигателя, создаваемый научно-технический задел в обеспечение создания конкурентоспособных на мировом рынке двигателей нового поколения не получал экспериментальной апробации.
В связи с указанными факторами авиадвигателестроение потеряло свои позиции даже на внутреннем рынке. В настоящее время российскими авиакомпаниями эксплуатируется более ста самолетов западного производства, выполняющих около 34 % объема пассажирских перевозок. Практически на всех современных отечественных самолетах и вертолетах предлагается установка двигателей зарубежного производства, в ряде случаев — на безальтернативной основе.
Системный кризис в отрасли был несколько сдемпфирован поставками двигателей по линии ВТС для самолетов военной авиации, а также услугами по их послепродажному обслуживанию, ремонту эксплуатируемой техники и ее модернизации. Расширилось производство промышленных ГТУ для перекачки газа и выработки электроэнергии. Однако экспортных доходов, получаемых с рынков ВТС, доходов от реализации промышленных ГТУ и услуг по ремонту двигателей, при минимальном бюджетном финансировании НИОКР оказалось недостаточно для преодоления кризисных явлений и начала выпуска новых конкурентоспособных двигателей гражданского и военного назначения.
В последние годы руководством страны уделяется много внимания к авиационной промышленности и авиационному двигателестроению. Особенно плотно это связывается с переводом экономики на инновационный путь развития и удовлетворением потребностей как российских Вооруженных сил в новейших авиационных комплексах вооружения, так и гражданской авиации в конкурентоспособных двигателях на мировом рынке. Правительством Российской Федерации в ноябре 2006 г. дано поручение по созданию интегрированных структур в авиационном двигателестроении и разработке стратегии его развития.
Разработан проект стратегии развития авиационного двигателестроения России на период до 2025 г., предусматривающий реструктуризацию отрасли, устранение несоответствия её организации и структуры, научно-технического и производственного потенциала задаче обеспечения технологической безопасности страны, а также восстановление позиций отечественного двигателестроения на мировом рынке. В этом проекте предусматривается увеличение выпуска ГТУ на базе авиационных двигателей для развития нефтегазового комплекса и транспортной инфраструктуры России в глобальной энергетике. Тем самым, авиационное двигателестроение приобретает межотраслевой характер.
Предполагается широкий комплекс мер, обуславливающий всестороннее решение накопившихся проблем. В него входят и государственная поддержка создания базовых двигателей нового поколения с уровнем совершенства 2010-2015 гг., и формирование организационной системы, способной работать в новых экономических условиях, и модернизация производства, конструкторского и научно-исследовательского потенциала авиадвигателестроения, и совершение системы подготовки и закрепления на предприятиях авиадвигателестроения кадров. Наконец, это внесение изменений в законодательство, снимающих существующие ограничения по реализации выбранного направления развития. В результате реализации данной стратегии в полном объеме предполагается рост объемов производства отечественной авиадвигателестроительной отрасли вдвое к 2015 г. и в 3…5 раз к 2025 г., безусловное обеспечение потребностей российских вооруженных сил, стратегическое изменение конкурентных позиций авиадвигателестроения России на мировом рынке.