Startující MiG-31 vyvolává v každém staviteli permských motorů pocit slasti a hrdosti. Síla interceptoru je úžasná. Valery Menitsky, zkušební pilot, Hrdina Sovětského svazu: „Mohu s naprostou jistotou říci, že ani Spojené státy, ani naši evropští protivníci takové letadlo nemají. Tento komplex má obrovský potenciál."
Nadzvukový stíhací stíhač MiG-30, který se objevil před více než 31 lety ve výzbroji sovětských protivzdušných obranných sil, je stále nejrychlejším bojovým letounem s nejvyšší nadmořskou výškou na světě. Jeho jedinečné vlastnosti jsou do značné míry dány schopnostmi elektrárny, která obsahuje dva motory D-30F6.
Inovativní řešení
Motor pro MiG-31 měl poskytovat tyto technické parametry: maximální rychlost MP = 2,83, maximální pozemní rychlost 1500 km/h, dolet s externími palivovými nádržemi 3300 km, provozní dostup 20 600 m, tah při maximálním režimu přídavného spalování 9500 kgf, tah v plně nuceném režimu 15 500 kgf, měrná spotřeba paliva (spotřeba jednotky paliva na jednotku tahu za hodinu při H=0, M=0): v maximálním nuceném režimu 1,9 kg/kgf h, v maximálním ne režim dodatečného spalování 0,72 kg/kgf h.
Takové přísné požadavky na motor byly způsobeny potřebou vytvořit záchytný stíhač pro boj s novými typy strategických a útočných zbraní schopných detekovat a ničit vzdušné cíle létající v extrémně malých, středních a vysokých (až 30 km) nadmořských výškách a při rychlostech. až 4000 km/h.
Pro takový letoun, jedinečný svými vlastnostmi, byl požadován neméně jedinečný vysoce výkonný motor s vysokou účinností. Vývojem tohoto motoru bylo pověřeno Perm Engine Design Bureau (MKB) pod vedením P. A. Solovjova (v současnosti JSC Aviadvigatel, generální konstruktér A. A. Inozemtsev).
Solovjov se rozhodl vyrobit obtokový motor s přídavným spalováním se směsí toků vnějších a vnitřních okruhů motoru. V té době bylo mnoho odpůrců takového schématu, protože elektrárny podle podobného schématu ještě nebyly vyrobeny.
Vytvoření motoru D-30F6 se specifikovanými charakteristikami v unikátním rozsahu letových podmínek bylo složitým vědeckotechnickým problémem s mnoha neznámými a „bílými místy“.
Milníky příběhy
Historie a metodika vytváření a dolaďování obtokového proudového motoru D-30F6 pro stíhací stíhací stíhač MiG-31 sahá až do vzdálených 50. let dvacátého století a je hodna hlubokého a podrobného studia. Od samého počátku svého vzniku v roce 1939 věnovala Perm Design Bureau velkou pozornost slibnému vývoji.
P. A. Solovjov, po jeho smrti v roce 1953 se A. D. Shvetsova stala jedním z nejmladších hlavních konstruktérů v zemi. Přitom měl již velmi bohaté zkušenosti s konstruováním a dolaďováním motorů a hlavně měl velmi cennou vlastnost - dar předvídavosti, opírající se o teoretické znalosti a intuici. Tento dar, podpořený výpočty specialistů ICD, pomohl včas určit správný směr při výběru schématu motoru, který byl slibný po mnoho let - dvouokruhový.P. A. Solovjov prokázal svou schopnost „ukázat tvář produktu“ výpočty, že bypassové motory mají vynikající sadu ekonomických a provozních charakteristik, umožňují vysoké kompresní poměry v kompresoru a vysoké teploty plynu před turbínou při nízkých ztrátách. výstupní rychlost vypouštěného toku. Následná historie vývoje světové výroby motorů potvrdila správnost tehdejší volby. P. A. Solovjova lze právem považovat za průkopníka ve vývoji obtokových motorů u nás a Perm Design Bureau je vyspělou laboratoří pro jejich vývoj. 1955 První motor D-20 této řady (R = 6800 kgf) byl dvouhřídelový obtokový (m = 1,5) motor s přídavným spalováním ve vnějším okruhu. D-20 byl navržen a testován v letech 1955-1956 a práce na jeho zdokonalení umožnily získat cenná data pro tvorbu motorů podobné konstrukce.
1956 Na svou dobu vynikajícím projektem byl obtokový motor D-21. Motor byl navržen podle jednohřídelového schématu se společným přídavným spalováním, s vysokou teplotou před turbínou (TCA * = 1400 K) a navržen pro velmi vysoké nadzvukové rychlosti letu. Ve stejné době se ICD ujalo vývoje nastavitelného nadzvukového nasávání vzduchu, komplexní a zodpovědné jednotky, tradičně navržené a postavené piloty letadel. Testy provedené v TsAGI potvrdily, že all-mode nasávání vzduchu, vyvinuté na ICD podle původního osově symetrického schématu, svými parametry výrazně převyšuje stávající vzorky. Motor D-21 výrazně předběhl svou dobu. Podobný jednohřídelový turbodmychadlo, ale s o něco nižší rychlostí letu – francouzský motor M-53 pro letoun Mirage 2000 vznikl o 20 let později. Bohužel práce na motoru D-21 byly zastaveny v roce 1960 z důvodu zastavení prací na letounu.
1966–1967 Motor D-30F (položka 38) byl navržen, vyroben a testován na tah Rf = 11,5 tf a v roce 1971 byl motor č. 38-04 testován na výškovém stánku TsIAM, aby otestoval výkon přídavného spalování při nízkých tlaky vzduchu na vstupu motoru.
Projekty z 50. a 60. let (D-20, D-21 a D-30F) předběhly svou dobu, protože po mnoho let v nadzvukové letectví dominantní postavení zaujímaly jednookruhové proudové motory, nicméně požadavek na vícerežimový (kombinace podzvukových a nadzvukových rychlostí letu), lepší výkon a řada dalších výhod vedly k tomu, že v nadzvukovém letectví po celém světě , dvouokruhové motory začaly zaujímat dominantní postavení v 70. letech.
Poprvé v zemi
V ICD byly zahájeny přípravné práce na vytvoření motoru s přídavným spalováním D-30F6 v souladu s příkazy Ministerstva leteckého průmyslu (MAP) ze dne 27.01.1970 a 16.08.1971 a úplný výzkum a vývoj - později na základě usnesení ÚV KSSS a Rady ministrů ze dne 12.05.1974 a nařízení MAP ze dne 01.07.1974. V krátké době byl s využitím zkušeností získaných při tvorbě demonstračního motoru (produkt 38) vypracován projekt nového nadzvukového turbodmychadla D-30F6.
Motor byl navržen s využitím aerodynamiky kompresorů motorů D-30 (Tu-134) a D-30KU / KP (Il-62 a Il-76) s nezbytnými konstrukčními změnami vzhledem k novým provozním podmínkám.
Volba rozměru plynového generátoru a jeho sedmistupňového vysokotlakého kompresoru (HPC) pro turbodmychadlový motor D-1955 v roce 20 umožnila, aniž by se změnily rozměry základních sedmi stupňů, vytvořit rodinu turbodmychadel. motory s tahem od 5,5 do 16 tf.Ze vzpomínek V. M. Chepkina (v té době zástupce hlavního konstruktéra v Perm Design Bureau, později generálního konstruktéra Design Bureau pojmenovaného po A. M. Lyulce): „Revoluční charakter nově vyvinutého motoru spočíval v tom, že jsme použili obtokový motor. s kompresním poměrem 22 pro letoun, který letí rychlostí 3000 km/h. Všichni nám říkali, že takový motor nebude fungovat, jelikož jsme teplotu plynu před turbínou dostali na 1640 K, když v té době všichni létali na úrovni 1400 K. Takové změny si samozřejmě vyžádaly nové chlazení, nové materiály pro lopatky a disky turbín, nová ideologie zdokonalení motoru. Bylo tam hodně problémů, byly tam hrozné spory, dostali jsme obrovské množství negativních stanovisek, mimo jiné od Ústředního ústavu leteckých motorů (CIAM). Ale dokázali jsme přesvědčit všechny."
Byla vyřešena řada nových problémů: byly zvoleny optimální parametry motoru, zejména obtokový poměr m=0,5, který se stal klasikou pro řadu následných projektů motorů tohoto účelu u nás i v zahraničí, parametry a řídicí programy pro tři motorové okruhy (hlavní okruh, regulační smyčka trysky a regulační smyčka průtoku paliva přídavného spalování), zajišťující udržení optimální trakce, ekonomických a provozních vlastností motoru.
Zejména byl vyvinut speciální program pro zvýšení teploty plynu před turbínou se zvýšením rychlosti letu letadla. To zajistilo požadovaný tah v druhém kritickém bodě: ve výšce 20 km a při rychlosti letu 2500 km/h. Později to vědci CIAM nazvali „teplotní odvíjení“. Tak byla vyvinuta technika pro získání charakteristiky strmých otáček motoru, která se později stala také klasikou pro následující projekty.
Zvláště je nutné vyzdvihnout vývoj systému automatického řízení a dodávky paliva (ACS a TP), kde byl poprvé v domácí praxi navržen a implementován ECCM jako hlavní regulátor provozních režimů turbodmychadlového motoru ( RED-3048). Práce na tomto systému byly prováděny v Perm Assembly Design Bureau (PAKB) pod vedením hlavního konstruktéra A.F. Polyanského a poté G.I. Gordeeva.
Kvůli nízké spolehlivosti elementové základny v té době byly na motor D-30F6 instalovány dva řídicí systémy: hlavní - digitální RED-3048 a záložní - hydromechanická samohybná děla.
Ideologii, algoritmy a doladění elektronicko-hydro-mechanických ACS a TP provedli společně specialisté z Design Bureau P. A. Solovjov a PAKB (v současnosti OAO STAR).
Poprvé u nás byl k analýze nestacionárního tepelného stavu systému palivo-olej vysokoteplotního motoru použit matematický model, což umožnilo neposílat motor do CIAM k testování na vysoké -výškový stojan. Tepelný stav systému za letových podmínek byl analyzován pomocí matematického modelu. Získaná data byla propojena s výsledky zkoušek na zkušební stolici a následně letových zkoušek. Tato práce byla vysoce oceněna specialisty CIAM a později byla uznána za státní zkoušky motorů.
Ladění motoru
Hlavní spalovací komora (CC) představovala velké potíže při dokončovacím procesu. V tuzemské i zahraniční stavbě leteckých motorů byly kompresorové stanice pracující na TK * 900 K a u D-30F6 bylo požadováno zajistit spolehlivý a efektivní provoz na TK * = 1024 K.
V důsledku intenzivního výzkumu, výpočtů a experimentální práce byla společně se společností CIAM nalezena exkluzivní řešení: aby se zabránilo spalování paliva podél stěn plamence, byl přes vlnité prstence mezi sekcemi plamenců zaveden chladicí vzduch, tvoří rovnoměrné teplotní pole na vstupu do turbíny, redistribuce přívodu vzduchu speciálními otvory ve směšovací zóně plamence, původní skládací konstrukce trysky nezajišťovala těsnost při TK*>950 K a pouze vývoj a provedení svařovaného provedení trysky pomocí svařování elektronovým paprskem zajistilo její úplnou těsnost.
vysokotlaká turbína. Pro zajištění provozuschopnosti a požadovaného zdroje při TSA*=1640 K byly zpracovány především lopatky, konstrukce trysek a pracovních lopatek 1. a 2. stupně s konvekčním filmem a konvekčním chlazením, pro které bylo nutné zvýšit chladicí kapacitu vzduchu odebraného pro chlazení turbín.
Za tímto účelem byl poprvé v průmyslu vyvinut a použit výměník tepla vzduch-vzduch ve vnějším kanálu motoru. Snížení teploty chladicího vzduchu o 20–40 procent umožnilo zvýšit teplotu plynu před turbínou o 90–180 K, což prokázalo proveditelnost a účinnost tohoto opatření.
Přídavné spalování (FC). Při dolaďování motoru nastal akutní problém se studiem vibračního spalování v FC, které se projevovalo v jiných podmínkách než na zemi. Studium této problematiky vyžadovalo nákladné, časově náročné testy na výškovém stanovišti CIAM nebo za letu. Na pokyn generálního konstruktéra byly za pomoci adekvátního „propojení“ matematického modelu motoru provedeny studie, které ukázaly možnost simulace provozních podmínek FC na vlastních stáncích. K tomu ICD vytvořilo dva speciální stojany s imitací letových podmínek z hlediska teploty pro testování motoru v podmínkách blízkých letovým. To umožnilo výrazně zkrátit čas na dokončení FC a ušetřit značné finanční prostředky. Problém byl vyřešen provedením testů na stáncích podniku v ekvivalentním režimu. Poprvé v domácí praxi byl do konstrukce motoru zaveden systém vstřikování a zapalování paliva v FC metodou „fire track“.
Zajímavá je historie vzniku a vývoje vícerežimové nastavitelné trysky. Nejprve byla tryska vyvinuta a poté až do letových zkoušek byla dodána společnosti TMKB Sojuz, která vyhrála soutěž na MKB, protože na rozdíl od Perm Design Bureau měla zkušenosti s vývojem nastavitelných trysek. Byla to krásná, profesionálně navržená stavba. První testy odhalily nedostatky: zvýšená netěsnost, nedostatečná tuhost - kvůli které kritická část trysky „nabobtnala“, nadměrná hmotnost a další. Kolegové korigovali tuhost, ale s netěsnostmi a hmotou si neporadili.
Dlouhá neplodná korespondence, jednání. Nastal okamžik, kdy se generální konstruktér rozhodl: "Vyrobte si trysku sami." ICD nemělo žádné zkušenosti s vývojem takových uzlů, ale pustil se do práce horlivě a s vášní, studovali hory technické literatury a využívali úspěchy svých moskevských kolegů. Vady a nedostatky se samozřejmě objevily v jejich vlastním návrhu, ale byly odstraněny rychleji a efektivněji.
Pro zajištění letových vlastností MiGu-31 bylo nutné zajistit regulaci chodu trysky v extrémně širokém rozsahu a to: při maximální rychlosti letu MP = 2,83 se mění míra poklesu tlaku plynu v trysce motoru. téměř 20krát, zatímco stupeň expanze trysky (poměr plochy výstupní části k oblasti kritické části) - více než třikrát.
Za těchto provozních podmínek docházelo ke ztrátě plynodynamické stability, třesení trysky (tzv. bu-bulyation). Tento problém byl vyřešen organizací obtoku atmosférického vzduchu do průtokové části motoru v nestabilních provozních režimech bez zhoršení charakteristiky trysky v hlavních režimech pomocí speciálních ventilů na klapkách trysek, jejichž konstrukce byla patentována.
Při letových zkouškách vznikl nečekaný problém s tryskou: při letu ve vysokých rychlostech a v malých výškách se zhoršovala ovladatelnost letounu, přičemž pilot vyžadoval enormní úsilí k jeho pilotování. V důsledku velkého množství experimentálních prací, včetně natáčení, bylo zjištěno, že v těchto letových režimech není díky netuhé konstrukci zajištěna synchronizace prvků trysky, samovolná změna polohy kritického řezu trysky a v souladu s tím i změna vektoru tahu motoru. Problém byl vyřešen změnou kinematických parametrů systému ovládání klapek, zajištěním plynodynamické synchronizace klapek trysek a hlavně stability a stability vektoru tahu motoru.
Ve finální podobě se D-30F6 samozřejmě začal od původního projektu značně lišit.
Jednalo se především o materiály: motor byl vyroben z nového titanu, slitin niklu a vysokopevnostních ocelí vyvinutých VIAM (vedoucí ústavu: do roku 1976 - A. T. Tumanov, po roce 1976 - R. E. Shalin, od roku 1996 - tis. současnost - akademik Ruské akademie věd E. N. Kablov). A geometrické rozměry motoru, stanovené tehdy v 60. letech, se nezměnily. V procesu vývoje a zdokonalování konstrukce motoru D-30F6 bylo představeno 52 technických řešení, která jsou vynálezy a jsou chráněna autorskými certifikáty.
D-30F6 v provozu
První let MiGu-31 s unikátními motory D-30F6 se uskutečnil 16. září 1975. Státní zkoušky, včetně vojenských, D-30F6 úspěšně prošel v roce 1979. Rozhodující význam pro státní zkoušky D-30F6 ve stanoveném čase měl vývoj motoru v nejranějších fázích sériové výroby Perm Production Association "Motorostroitel" pojmenované po. Ya. M. Sverdlov (v současnosti OAO PMZ).
Vysoké parametry motoru umožňují MiGu-31 poskytovat vysokou manévrovatelnost, dlouhý dolet, jedinečnou rychlost stoupání, dlouhou dobu přehrady (až šest hodin s doplňováním paliva) a výraznou vzdušnou převahu. Na počátku 90. let dvacátého století byla výroba MiGů-31 a D-30F6 omezena. Stíhací stíhač přitom stále slouží u leteckých pluků po celém Rusku a střeží naše hranice.
V současné době specialisté Aviadvigatel JSC, PMZ JSC, STAR JSC a 13th GNII MO RF provádějí systematickou práci na postupném zvyšování zdrojů a životnosti motoru D-30F6, což umožňuje šetřit flotilu bez snížení úrovně spolehlivosti a zajišťuje potřebnou bojovou připravenost útvarů Ministerstva obrany provozujících tyto letouny. To bylo možné díky rezervám spolehlivosti začleněným do konstrukce a výroby motoru D-30F6 a také racionálnímu systému údržby, jehož metodiku vyvinuli specialisté z Aviadvigatel OJSC a PMZ OJSC spolu se specialisty z Výzkumného ústavu průmyslu a Moskevské oblasti.
Hlavní změny
Na základě MiGu-31 vzniklo mnoho variant: MiG-31B, MiG-31BS, MiG-31BM, MiG-31DZ, MiG-31LL a další a motor D-30F6 dostatečně uspokojuje všechny požadavky moderní stíhačky nepřekonatelné z hlediska technického výkonu již více než 30 let.záchytné letouny. Modernizované motory D-30F6 byly instalovány na experimentálním perspektivním letounu páté generace Su-47 Berkut s reverzně rozmítaným křídlem.
Dalším slavným strojem s těmito motory (verze s přídavným spalováním) byl průzkumný letoun Design Bureau pojmenovaný po V. M. Mjasiščevovi. Objevil se na příkaz ministerstva obrany SSSR, ale éra konverze donutila vývojáře hledat novou aplikaci pro své potomky. Tak se objevil letoun M-55 "Geophysics" - unikátní stroj, který dodnes nemá ve světě obdoby.
Po svém prvním letu v roce 1988 M-55 vytvořil šestnáct světových rekordů. „Geofyzika“ dokáže provést dlouhý (až šest hodin) let ve výšce přes 20 km. Stroj má větší rezervu bezpečnosti a nosnosti ve srovnání se západními protějšky. To umožňuje našim výškovým letounům startovat a přistávat nejen za bezvětří, ale i za silného větru a také zvednout do vzduchu až jeden a půl tuny vědeckého vybavení. Již deset let se v rámci mezinárodních programů létají na obloze nad Evropou, Arktidou, Antarktidou, Austrálií, Indickým oceánem, Latinskou Amerikou a rovníkem. Ani jedno domácí letadlo nebylo nikdy v tak drsných podmínkách. Všechna světová letecká zařízení jsou navržena pro provoz v teplotním rozsahu od -60 do +60 stupňů Celsia. Permské motory se ocitly v podmínkách extrémních teplot a ukázaly se jako hodné.
Sláva práce
Vznik, sériová výroba a zahájení provozu prvního u nás čtvrté generace obtokového motoru D-30F6 pro nadzvukový stíhací letoun MiG-31 v nebývale krátké době jsou velkým počinem leteckého průmyslu, ústavů MAP a letectvo.
Podle velitele permského leteckého pluku z 90. let Valerije Grigorjeva, „MiG-31 je jedním z nejlepších letadel všech dob a národů, nepřekonaným mistrovským dílem leteckého inženýrství. Nevyčerpalo svůj potenciál ani v sovětských dobách, ani nyní. Celkově lze tento letoun používat desítky let, pokud je stroj neustále modernizován. Na světě neexistuje žádné jiné sériové letadlo, které by létalo rychlostí 3000 km/h a bylo schopné detekovat vzdušné cíle na tak dlouhou vzdálenost.“
Na vytvoření motoru D-30F6 se podílely desítky vědeckých ústavů průmyslu a Moskevské oblasti, stovky pracovních kolektivů a tisíce pracovníků země. Byl to státní program vedený Perm Design Bureau pod vedením generálního designéra Pavla Aleksandroviče Solovjova, našeho učitele.
Tým Aviadvigatel je hrdý na své duchovní dítě, D-30F6, as vděčností vzpomíná na spolupráci se všemi zúčastněnými organizacemi. V tomto ohledu je třeba znovu zvláště zmínit spolupráci Perm Design Bureau a sériového závodu, která prokázala hlubokou integraci designového, technologického a výrobního potenciálu obou týmů.
V současné době společnost JSC Aviadvigatel s využitím zkušeností a metodiky tvorby předchozích motorů (D-20P, D-30, D-30KU / KP, D-30F6, PS-90A a jejich modifikace), jakož i celé řady plynových turbín jednotky pro energetiku a plynové kompresorové jednotky ve spolupráci s ústavy a podniky leteckého průmyslu vyvíjí nový perspektivní motor PD-14 pro hlavní letouny rodiny MS-21.