Лед и пламя: климатические испытания авиадвигателей
Небо, увы, не всегда бывает безоблачным. Многие десятилетия ученые, инженеры и конструкторы всего мира ведут борьбу за то, чтобы летательный аппарат, поднявшись в воздух, не стал игрушкой в руках разбушевавшейся стихии. Устойчивость авиационной техники к воздействию климатических условий – одна из важнейших составляющих обеспечения безопасности полетов. О том, что делается в нашей стране и мире, чтобы авиация стала всепогодной, рассказывает сотрудник ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», к.т.н. Алексей Владимирович Горячев. Речь пойдет об авиационных двигателях, от надежной работы которых зависит безопасность полетов в любых погодных условиях.
– Что такое климатические испытания авиационного двигателя и какую роль они играют в обеспечении безопасности полетов?
– Чтобы сделать двигатель и самолет всепогодными, нужно проводить их испытания при воздействии сложных климатических условий. ЦИАМ накопил огромный опыт в этой области. Мы занимаемся испытаниями двигателей и элементов ЛА в условиях обледенения разных видов, проводим испытания в условиях града, дождя. В последние годы во всем мире наметилась тенденция к росту количества и сложности климатических испытаний. Это связано как с появлением новых международных норм, так и с тем обстоятельством, что, несмотря на бурный рост возможностей вычислительной техники, надежных расчетных методов учета влияния климатических условий на ЛА по-прежнему не существует.
Над этими методами ведется работа и у нас, и в NASA, они уже позволяют производить оценку и выбор наиболее опасных условий, при которых необходимо проводить испытания. Однако основанием для сертификации авиационной техники эти расчеты в большинстве случаев быть не могут и соответствующими органами для этих целей не аттестованы. Причина – в исключительной сложности процессов, связанных с воздействием природной стихии на технику. Рассчитать такие параметры, как вибрации двигателя, которые возникнут при обледенении, точная величина падения тяги и изменения температуры газа за турбиной, практически невозможно. Еще несколько десятков лет, я думаю, не появятся такие расчетные методы. Это сверхсложная многодисциплинарная задача. Поэтому и необходимы испытания.
Без этих испытаний ни один самолет не может быть допущен к полетам. В авиационных правилах – и отечественных, и европейских, и американских – есть пункты: провести демонстрацию при определенных климатических условиях и подтвердить надежность работы авиационного двигателя. Правила эти возникли, к сожалению, вследствие катастроф и летных происшествий. По мере усложнения авиационной техники и интенсификации ее использования появляются новые риски, о которых раньше не задумывались.
По прогнозам NASA, до 2069 года одна из дозвуковых аэродинамических труб агентства на 42,5% будет загружена климатическими испытаниями. В последние годы США модернизировали многие свои стенды, чтобы иметь возможность проводить на них соответствующие испытания.
– Практика применения авиационной техники выявила новый вид обледенения – в облаках с ледяными кристаллами. Чем они опасны?
– К середине 1990-х годов накопился большой объем данных по серьезным летным происшествиям, когда происходили помпажи, потери мощности, остановки двигателей и даже отрывы лопаток внутри компрессора. Сначала это объясняли какими-то единичными технологическими дефектами. Когда же произошла почти сотня таких случаев, пришли к другому выводу. Кристаллы к холодным внешним поверхностям не прилипают. Они отскакивают от них, как шарики пинг-понга. Сталкиваясь в компрессоре с нагретыми поверхностями, они подплавляются, становятся липкими, прилипают к поверхности, а затем к ним присоединяются другие кристаллы, которые за счет своего хладоресурса охлаждают эту поверхность – и возникают ледяные наросты.
Особая опасность состоит в том, что потенциальные зоны образования наростов из-за ледяных кристаллов находятся внутри компрессора и возникают при температурах вплоть до +34ºС. Они охватывают компрессор низкого давления и даже первые ступени компрессора высокого давления. Если, к примеру, кусок льда сорвется с воздухозаборника и ударит по лопатке вентилятора, то ничего страшного не произойдет: вентилятор на это рассчитан. А малого размера лопатки компрессора на такое воздействие не рассчитаны.
В 1990-х годах происходило только накопление информации, сегодня же опасность обледенения в условиях ледяных кристаллов уже закреплена в виде нормативных документов.
– Насколько введение норм по ледяным кристаллам повлияет на процесс сертификации ПД-14 – главной надежды отечественного двигателестроения?
– Прежде чем перейти к ПД-14, надо сказать, что не все двигатели подвержены этой опасности. Например, в двигателях Rolls-Royce Trent обледенения в облаках с ледяными кристаллами не происходит, потому что используется трехвальная схема. За счет этого у этих двигателей немного, буквально на 10–15 градусов, увеличивается температура по тракту, и этого хватает, чтобы преодолеть порог, за которым обледенение в компрессоре уже не возникает.
Не подвержены этой болезни и двигатели Pratt & Whitney серии PW1000G: у них двухвальная схема, но за счет использования редуктора компрессор низкого давления вращается с несколько большими скоростями и из-за этого температура значительно повышается. Поэтому производители этих двигателей могут не проводить подобных испытаний.
А вот на двигателях General Electric GEnx и GE90 возникали серьезные проблемы. Когда после одного из летных происшествий осмотрели двигатель и зафиксировали повреждения лопаток, то специалистам не верилось, что лед мог произвести подобные повреждения. Поначалу даже приходилось снимать самолеты с этими двигателями с опасных в плане обледенения трасс. Лишь в результате больших усилий General Electric (GE) удалось найти меры, которые позволили этим двигателям безопасно эксплуатироваться в условиях ледяных кристаллов.
Что касается ПД-14, то он выполнен по двухвальной схеме и не имеет редуктора. Для сертификации нашего двигателя по международным правилам необходимо будет поставить его на стенд и так же, как при испытаниях на классическое обледенение, убедиться, что и в условиях ледяных кристаллов его характеристики не претерпевают недопустимых изменений.
– В ЦИАМ создается установка по испытаниям в условиях ледяных кристаллов. Расскажите об этом.
– ЦИАМ очень давно занимается испытаниями на классическое обледенение. С этой целью наши стенды оборудованы коллекторами для ввода в поток воды. Последние несколько лет мы проводим расчетную и экспериментальную работы по оснащению наших стендов системами, которые позволят проводить испытания на обледенение в условиях ледяных кристаллов. Мы уже сделали экспериментальную установку с морозильной камерой, в которой установлен генератор кристаллов – устройство для дробления льда. Морозильная камера соединена с термобарокамерой трубопроводом, через который кристаллы вводятся в поток с помощью специального коллектора.
Это относительно небольшая установка. Ее диаметр – 1,02 м. Чтобы испытывать такие двигатели, как ПД-14, с диаметром порядка 2 м, потребуется модернизировать стенд Ц-1А. На нем уже стоит водораспылительный коллектор для испытаний на классическое обледенение. Необходимо поставить еще один коллектор, который будет вводить в поток ледяные кристаллы. Таким образом, мы сможем регулировать и подачу воды, и ледяных кристаллов и получать их смесь в любом соотношении, что необходимо для сертификационных испытаний.
– Насколько важно создание большого стенда для испытаний в условиях ледяных кристаллов?
– Создание стенда для нового вида испытаний на обледенение – это даже не техническая, а политическая задача. Если мы не сможем сертифицировать авиационную технику в соответствии с международными правилами, то не сможем и продавать свои самолеты за рубежом. Правила по новым видам климатических испытаний уже приняты в США, вот-вот будут приняты в Европейском союзе, и ПД-14 надо будет сертифицировать в соответствии с ними, если мы хотим, чтобы самолеты с этими двигателями допускали до полетов за рубежом. У нас сейчас подобные испытания проводить негде. Такие стенды есть в США в НИЦ им. Гленна и НИЦ им. Арнольда. Везти двигатель туда? Но, во-первых, кто нас туда пустит, во-вторых, это дорого, а в-третьих, стенды там заняты на годы вперед. Поэтому создание такого стенда в России – насущная необходимость и вопрос об этом уже сейчас стоит очень остро.
В ЦИАМ для его создания есть все ресурсы и возможности: модельная установка, на которой отрабатывается эта технология, большой стенд Ц-1А, опыт, методики, специалисты, измерительное оборудование – эти приборы уникальны, их всего несколько штук во всем мире. Нужно лишь финансирование для завершения работ. И вложения эти, несомненно, окупятся. Самое правильное – создать на базе нашего Института международный центр по климатическим испытаниям, то есть модернизировать наши стенды до необходимого уровня и удовлетворить потребности в испытаниях не только отечественных, но и зарубежных, по меньшей мере, европейских компаний. Ведь в Европе таких стендов нет, и в обозримом будущем не появится. С нуля создавать подобные проекты очень дорого. Создание таких стендов, как в нашем филиале в Тураево, где цеха занимают площадь трех футбольных полей, было по силам только сверхдержавам в соответствующих политических условиях. В Европе на это оказался способен только СССР. Такие стенды есть в США, но проведение испытаний там значительно дороже, а приоритет отдается американским компаниям, так что у европейцев, по сути, сегодня нет выбора.
– Одновременно с обледенением в условиях ледяных кристаллов в международных нормах появились требования по сертификации в условиях крупных переохлажденных капель. Что это такое?
– Эта проблема обострилась в 1994 году после катастрофы самолета ATR 72 компании Aerospatiale. Самолет упал в результате того, что на нем образовались ледяные наросты за пределами зоны классического обледенения, где противообледенительная система не действует. Обледенение в условиях крупных переохлажденных капель – это, упрощенно говоря, те самые ледяные дожди, которые причинили столько бед Москве в 2010 году: рвались линии электропередач, целиком обледеневали деревья. То же самое происходит и с самолетом. Образование ледяных наростов происходит за зоной обогрева, где противообледенительная система не действует. Поэтому в проведении подобных испытаний заинтересованы и конструкторы планера ЛА.
Для этого необходимо изготовить бимодальный водораспылительный коллектор с двумя типами форсунок, потому что по нормам спектр распределения капель должен состоять из двух составляющих. Никаких особых технических сложностей в этом нет. Нужны только денежные ресурсы.
– Расскажите о возможностях ЦИАМ по проведению климатических испытаний авиационной техники.
– Кроме вопросов обледенения, мы занимаемся испытаниями в условиях дождя, града и попадания кусков льда. Казалось бы, с дождем не должно быть никаких сложностей, однако и здесь появились новые нормы: нужно получать капли размером вплоть до 7 мм. Технически сделать это очень сложно, поскольку такие капли нестабильны и распадаются в потоке на пути от коллектора к двигателю. Как раз сейчас этот вопрос стоит очень остро, поскольку необходимо провести соответствующие испытания ПД-14. В ЦИАМ разработана технология обеспечения стабильности таких капель в потоке. Мы обладаем расчетными методиками, которые позволят закрыть этот вопрос перед сертифицирующими органами: Это яркий пример того, как компетенции ЦИАМ помогают промышленности решить стратегически важный и сложный вопрос.
Еще один сложный вопрос – попадание в двигатель кусков льда. Обычная установка забрасывает куски льда в работающий двигатель на среднюю часть лопатки. Но прочнисты ЦИАМ показали, что наиболее опасное место при таком воздействии – периферия лопатки, а в эту область на открытом стенде попасть невозможно: кусок льда отражается рикошетом от воздухозаборника. В ЦИАМ такие испытания провести можно. Есть приспособление, которое направит вдоль трубопровода этот кусок льда в нужном направлении.
Появились новшества и по граду: испытания теперь делятся на шквальный и крупный град. Крупный град – это ледяные шары диаметром 25 и 50 мм.
У нас в Тураево есть пневматическая пушка, которая создана для испытаний на птицестойкость. По этому направлению у Института много заказов, но мы приспособили эту пушку и для стрельбы градом. Пока мы не можем проводить подобные испытания на работающем двигателе, но это лишь вопрос финансирования.
Нами создана одна из пушек, которая позволяет моделировать условия шквального града. Для проведения испытаний на полноразмерном двигателе необходимо изготовить на основе имеющегося образца еще несколько пушек.
– Назовите двигатели, в проведении климатических испытаний и выполнении процедуры сертификации которых принимал участие ЦИАМ.
– У нас испытывались на климатические воздействия ПС-90А и его модификации, SaM-146 для самолета Superjet 100, АЛ-55И для индийского учебно-тренировочного самолета, Arriel 2C2/2C, вспомогательные ГТД TA12-60 и TA-14 компании «Аэросила», рыбинский ТВД-1500, ТВ3-117ВМА-СБМ1 и АИ9-3B. Мы испытывали и элементы ЛА, к примеру, элементы вертолета Eurocopter EC155, модели крыла Ту-204, Superjet 100 и многое другое.
Порой приходилось решать сложные вопросы. Например, в свое время мы добились того, чтобы климатические испытания SaM-146 были проведены в ЦИАМ. Мы доказали, в том числе и французским специалистам, что у нас такие испытания провести легче и дешевле. Таким образом, мы провели испытания, и по их результатам двигатель был успешно сертифицирован.
До опыта с SaM-146 европейскими и американскими нормативными документами предписывалось: перегазовки на двигателе в условиях обледенения делать нельзя. Перегазовки – это кратковременное повышение уровня тяги. С точки зрения двигателиста, это недопустимо: растут вибрации, а мы еще и повышаем режим работы двигателя. На самом же деле, в результате кратковременного повышения оборотов двигатель сбрасывает лед, вибрации исчезают, и мы возвращаемся на номинальный режим работы. Мы доказали французам, что другими способами решить проблему невозможно, и двигатель был в итоге успешно сертифицирован.
– Не могли бы Вы сравнить уровень работ по климатическим испытаниям авиадвигателей в России и мире?
– Несмотря на вышеперечисленные проблемы, мы находимся на хорошем уровне. Несколько лет назад на наших стендах прошли климатические испытания вертолета Eurocopter EC155. Весь вертолет испытывался на обледенение: двигатель с воздухозаборником, фенестрон, лопасти несущего винта, стабилизатор. В результате был получен сертификат Европейского агентства по безопасности полетов (EASA). По результатам наших испытаний был успешно сертифицирован российско-французский SaM-146. На сегодняшний день испытан двигатель Silvercrest. Почему французы привезли его к нам? Они говорят, что уверены в результате. Кроме испытаний на обледенение был проведен и ряд других: на снятие высотно-скоростных характеристик, на холодные запуски и т.д. А обратились к нам французские специалисты, изначально зная нас как специалистов по климатическим испытаниям.
– Одна из основных задач ЦИАМ – создание НТЗ для перспективных двигателей. Есть ли задел по «климатическим» технологиям с использованием материалов, к которым лед вообще не пристает?
– Идея с противообледенительным покрытием выглядит очень привлекательной, но на практике это тупиковое направление. Переохлажденная капля – это такая структура, которая намерзает на любой поверхности. Поэтому само по себе противообледенительное покрытие проблемы не решает. Правда, если его применять вместе с другими мерами, например, с системой обогрева, то оно очень полезно.
Простых решений проблемы нет, необходим комплекс мер. Поэтому на основе опыта ЦИАМ и мирового опыта мы разрабатываем методики, с помощью которых можно комплексно повысить эффективность защиты двигателей от климатических воздействий, а также уменьшить количество климатических испытаний. Наша задача – повысить интеллектуальную составляющую работ по защите двигателей от климатических воздействий, создать программы, с помощью которых можно еще до испытаний предсказать степень ухудшения характеристик двигателя при подобном воздействии и оценить наиболее критические случаи. Это комплексная работа, к которой необходимо привлекать специалистов различных областей двигателестроения: разработчиков математической модели двигателя, специалистов по компрессорам, которые рассчитывают характеристики компрессорных ступеней с точки зрения влияния наростов льда, специалистов по камерам сгорания, так как может произойти срыв горения или погасание, а также испытателей-стендовиков, специалистов по прочности и надежности и др. Создание подобной методики – работа для всего Института.
Наша цель как головного НИИ отрасли – повышать уровень создания двигателей, не просто решать проблемы, а делать так, чтобы они не возникали. Ведь самое лучшее – оценить опасность климатических воздействий еще на этапе проектирования. Чем раньше будут учтены все потенциальные риски, тем меньше возникнет сложностей при доводке и сертификации двигателя. А когда конструкция двигателя уже «заморожена», то преодолеть возникшие проблемы гораздо труднее, дольше и дороже, поскольку очень дорогие сертификационные испытания превращаются в доводочные.
Сейчас в авиадвигателестроении наметилась тенденция: на зарубежных двигателях противообледенительная система на входе в двигатель, как правило, не применяется. А это значит, что не нужно отбирать воздух у двигателя, упрощается конструкция, снижается вес. Вместо этого применяются другие конструктивные меры, которые позволяют двигателю работать при обледенении без обогрева. К примеру, на CF34-10 компании GE нет противообледенительной системы. У него во время испытаний на входе намерзает большая ледяная шапка, но после перегазовки двигатель сбрасывает лед и работает далее без всяких проблем. Но все это надо рассчитывать заранее и вводить уже на самых первых этапах проектирования.
В заключение
Мы пытаемся с помощью новой методики осуществить более интеллектуальный и комплексный подход к проблеме учета климатических воздействий на двигатель. Именно в этом направлении видим возможности наибольшего прогресса.
По теме: Испытания авиационных двигателей льдом, птицей и пеплом…