Турбореактивные технологии: выходим на микроуровень
Текст: Айдар Фахрутдинов | 2017-01-19 | 1821
Если линейные размеры какого-то объекта изменить в n раз, то площадь его поверхности изменится в n? раз, а объём – в n? раз. Именно этот несложный принцип (закон квадрата-куба), применяемый в технике и биомеханике и впервые описанный ещё в 1638 году Галилео Галилеем, лежит в основе современных подходов к масштабированию объектов и, например, объясняет, почему шмель способен летать при большом размере тела относительно размаха его крыльев, а птица (и тем более самолёт) – нет. По той же самой причине, обладая технологиями производства реактивных турбин, невозможно создать эффективную микротурбину, лишь уменьшив линейные размеры существующей. Для этого требуется большая научная и конструкторская работа – микротурбина должна создаваться практически с нуля. В какой-то момент это даже считалось невозможным, поэтому появление в 90-х годах 20 века первых более или менее работоспособных реактивных микротурбин вызвало настоящий ажиотаж: в воздух наконец-то поднялись реактивные авиамодели – через полвека после появления первых реактивных самолётов. А в России первый коммерческий микротурбореактивный двигатель собственной разработки появился совсем недавно, в конце 2016 года. О его создании мы пообщались с руководителем этого проекта Сергеем Журавлёвым.

– Сергей, скажите, на какие знания и технологии вы опирались при разработке своего двигателя?

К тому моменту, когда мы подошли к вопросу создания собственной микротурбины, в нашей команде было несколько человек, вышедших из авиационной сферы. Однако двигателестроением мы профессионально не занимались, поэтому, естественно, столкнулись с необходимостью изучить весь тот опыт, который был наработан по этой тематике до нас.

В результате выяснились достаточно любопытные вещи. Оказалось, что реактивные двигатели для моделирования в своём развитии прошли определённый эволюционный этап, но никакой научной школы, которая бы формировала термодинамику или аэродинамику в малых объёмах при этом не возникло. Складывалось ощущение, что все те конструкции малых двигателей, которые мы проанализировали, были сделаны путём только лишь опытно-конструкторских работ. То есть разработчики брали большой двигатель, геометрически его масштабировали, а потом физически смотрели, какие при этом возникли проблемы, и пытались их устранить – где-то что-то подкручивали, где-то что-то заменяли, где-то что-то совершенствовали. Я не берусь утверждать, что мы изучили всё, но, по крайней мере, те двигатели, которые смогли найти и посмотреть, имели примитивную камеру сгорания и примитивную топливную систему. В силу использования примитивных материалов циклы эксплуатации этих двигателей были очень короткими. С другой стороны, свою функцию эти двигатели выполняли. Один полёт модели длится в среднем 3-5 минут. Двигатель в таком режиме способен отработать 20-30 циклов. Но в течение этого времени уже сама модель, как правило, либо разбивается, либо изнашивается. То есть как таковой потребности в более совершенном двигателе не было, поэтому никакой науки вокруг него и не возникло.

– Но если науки как таковой здесь ещё нет, то каким путём пошли вы? Как и другие разработчики, «оттолкнулись» от больших двигателей?

Мы попробовали позаниматься матмоделированием, в результате чего разработали ряд моделей с оценкой термодинамических позиций. Посмотрели алгоритмы и ушли в совершенно другую логику управления рабочими процессами в двигателе по сравнению с той, которую увидели при анализе имевшихся в доступе конструкций. На всё про всё у нас ушло примерно два года. Затем в марте 2016-го мы приняли решение изготовить опытный образец двигателя, и осенью того же года он уже был готов к испытаниям.

– В чём была ваша задумка? Выйти на рынок со своим собственным аналогом?

К необходимости разработки собственного микротурбореактивного двигателя мы подошли вовсе не со стороны авиамоделизма.То, чем мы занимаемся на самом деле, – это строительство. Микротурбина же является ключевым элементом нашей идеи об энергосистеме автономного энергопроизводящего дома (хозяйства), то есть дома, не зависящего от внешних монопольных сетей. Анализируя различные варианты исполнения, мы пришли к пониманию того, что в качестве резервного генератора в таком доме микротурбина будет наиболее эффективной.

Мы исходим из того, что рано или поздно эти системы должны стать источниками либо сопутствующей (то есть дополнительной), либо альтернативной энергии. Соответственно, мы выходим на два возможных сценария. Первый из них подразумевает, что к общей электрической сети вы всё-таки подключены, но стоимость дневной электроэнергии достаточно высока, поэтому пики вашего потребления целесообразно сгладить за счёт других, более дешёвых источников. Второй сценарий – это переход на полностью автономную систему, когда другие источники энергии, кроме самостоятельно производимой «альтернативки», у вас отсутствуют.

В том, чтобы создать автономный дом, никаких трудностей сегодня нет. Вопрос состоит только в цене технологий, которые вы будете при этом использовать. Традиционная схема с применением солнечных батарей и ветрогенераторов дорога?. Использование аккумуляторов, необходимых для накопления энергии на случай безветренной и пасмурной погоды, особенно в условиях зимней России, делают её стоимость просто космической. Куда правильнее и дешевле хранить первичную энергию в химической форме, например, – в виде горючих газов. В этом плане очень важен тот факт, что метан, производимый самим автономным домохозяйством из бытовых отходов, позволяет легко закрыть всю его потребность в электроэнергии и тепле на протяжении зимы. Отсюда, собственно говоря, и возникает идея микрогазотурбинной установки. Метан, конечно, можно перерабатывать и привычными газопоршневыми агрегатами (двигателями внутреннего сгорания), но по сравнению с ними микротурбины имеют ряд существенных преимуществ. Например, более высокий КПД, способность работать на плохом (некачественном) газе, очень малые размеры и возможность лёгкой и практически полной звукоизоляции.

Естественным продолжением описанного подхода является философия энергоизбыточности. Для Европы это уже достаточно отчётливо сложившийся тренд: избыточная энергия скупается государством, то есть снижение энергозависимости от внешних источников поддерживается на государственном уровне. Другой вектор развития – объединение локальных производителей энергии с её потребителями, взаимный обмен энергией или её совместное использование. Обмен энергией возникает в тот момент, когда у одного мелкого производителя наблюдается пик потребления, у другого – наоборот, потребление находится на минимуме. То есть если раньше домохозяйство было потребителем энергии (неважно – сетевой или альтернативной), то сейчас наступило пороговое время, когда оно становится производящим звеном, а значит, объединение домохозяйств является не сугубо энергетическим, а потенциально производящим, то есть производственным.

Вопрос о необходимости разработки собственного микротурбореактивного двигателя возник при проработке концепции энергосистемы автономного энергопроизводящего дома (хозяйства). Строительство малоэтажного экологического жилья – одно из направлений деятельности, находящихся в сфере предпринимательского и ценностного интереса Сергея Журавлёва. На фото: процесс создания экологического жилья компанией «МоДом.ком».

– В итоге – каким вам видится рынок сбыта для ваших микротурбин?

Сегментов два: домохозяйства и авиация. При этом в части авиации нам есть куда двигаться и помимо реактивных авиамоделей. Например, несмотря на, казалось бы, бурное развитие беспилотных летательных аппаратов, здесь наметился содержательный кризис. Дело в том, что основную массу БПЛА составляют электрические дроны. Но порог грузоподъёмности у них невелик – что-то около 30 килограммов. Дальше полезную нагрузку наращивать неэффективно: дрона начинает «душить» его же собственный аккумулятор. Максимальная продолжительность полёта электрического беспилотника тоже невысока – в среднем 30 минут. Для устранения этих ограничений разработчики малых и средних БПЛА всё чаще начинают посматривать в сторону реактивных двигателей, которые пока что остаются наиболее мощными энергомашинами. Дальше, конечно, возникает вопрос – как именно их использовать на дроне. Вариации на тему прямотока можно увидеть в «Терминаторе». Помните эту чудо-машину с несколькими реактивными движками? Попробовать сделать нечто подобное можно, но история с синхронизацией реактивной тяги может получиться очень жёсткой. Гораздо легче было бы крутить вентилятор, а значит, возникает потребность в гибридных (на базе турбины) двигателях. Но таковых в авиации сейчас практически нет. Турбовинтовые, с передачей момента через редуктор на конечный движитель (винт) – есть. А гибридов нет.

Основную массу малых и средних БПЛА сегодня составляют электрические дроны, имеющие невысокий порог грузоподъёмности и малую длительность полёта. Для решения этих проблем разработчики начинают задумываться об использовании малых реактивных двигателей.

Вариации на тему возможного использования реактивных двигателей на средних беспилотниках представлены в фильме «Терминатор 3: Восстание машин». Удастся ли в реальности подобным образом синхронизировать работу нескольких реактивных турбин, до конца пока не понятно.

А вот на крупных БПЛА турбореактивные двигатели уже давно и успешно применяются. На фото: американский стратегический разведывательный БПЛА RQ-4 Global Hawk, способный без посадки патрулировать территорию в течение 30 часов на высоте до 18 000 метров. Аппарат оснащён турбовентиляторным двигателем Allison Rolls-Royce AE3007H с тягой 31,4 кН и может нести полезную нагрузку массой до 900 кг.

Конструкция, которую мы сейчас предъявляем рынку, рядом позиций довольно сильно отличается от традиционных. С начала 2017 года, надеюсь, эти позиции мы начнём потихоньку приоткрывать. Здесь мы придерживаемся того же мнения, что и Илон Маск с его открытыми кодами и открытыми инновациями: на рынке сегодня побеждает не тот, кто имеет патенты, а тот, кто всё время их придумывает; тот, кто опережает и непрерывно двигается вперёд.

Созданный двигатель мы позиционируем, в первую очередь, для прототипов БПЛА. Он достаточно прост, но профессиональный двигатель под какие-то конкретные задачи сейчас и не нужен: беспилотники на реактивной тяге не проработаны, а значит и планеры, и приводы, и энергосистемы, и полезная нагрузка – то есть то всё, что связано с новой силовой установкой, необходимо тестировать. С другой стороны, мы знаем несколько конструкторских бюро, которые формулируют или уже имеют на руках технические задания на реактивные двигатели и силовые установки. С одним из потенциальных заказчиков мы вступили в переговоры для уточнения потенциальных продуктов и требований к ним. Поэтому заделы у нас очень большие, и на выходе мы планируем создать целую линейку продуктов со своими типоразмерами и силовыми диапазонами.

Первый диапазон – это двигатели с силой тяги до 400 Ньютонов, предназначенные для реактивных моделей и небольших беспилотников. К этому диапазону относится и уже созданный двигатель. Он имеет номинальную тягу в 150 Ньютонов, хотя без существенного падения ресурса двигателя можно летать и на двухсот (что примерно соответствует 12 кВт мощности). За счёт ряда уже понятных внутренних усовершенствований и изменения типоразмера, этот двигатель мы без труда сможем докрутить до 400 Ньютонов.

Второй диапазон – двигатели с силой тяги от 400 до 750 Ньютонов. Основное назначение – средние беспилотники. Логика нашего двигателя здесь останется прежней, но вот конструктив будет гораздо более сложным.

Третий диапазон – это двигатели с силой тяги от 750 до 1200 Ньютонов, предназначенные либо для больших беспилотников, либо для малой пилотируемой авиации. Эта ниша также представляет для нас большой интерес. Движки с силой тяги в 1200 Ньютонов – наш порог, поскольку после него начинается крупное монопольное двигателестроение. Это объединённая корпорация двигателестроения, это пермские и рыбинские моторы и тому подобное. Это огромная научная школа, огромные деньги и предельно жёсткий рынок.

Для всех трёх диапазонов мы планируем подготовить свои варианты турбореактивных, турбовинтовых и гибридных газотурбинных двигателей.

В той же логике мы планируем двигаться и в плане создания генерационных установок. Соответственно, по мощности их также будет три типа: до 20, до 50 и до 100 кВт.

Таковы наши примерные амбиции.

– И в беспилотнике, и в домохозяйстве энергосистема, помимо турбины, включает в себя и множество других составляющих – редукторы, инверторы, теплообменники и много чего ещё. Их разработкой и изготовлением вы тоже занимаетесь самостоятельно?

Двигатель является сердцем всей энергосистемы и свои интересы мы ограничили им. Решили, что всю периферию правильнее будет отдать нашим партнёрам.

А вообще, у меня очень чёткая позиция относительно того, что нужно оставлять себе, и что желательно передать на аутсорсинг. Она является производной от пережитых кризисов и собственного опыта домостроения, которые учат простому правилу: до момента устойчивой избыточности заказов нельзя содержать ни собственный штат, ни собственный офис, ни собственное стационарное производство.

Но есть три управленческие позиции, которые обязательно нужно закрепить за собой. Первая – это наука и разработка, то есть постоянный процесс, в котором ты всё время должен что-то придумывать, менять, совершенствовать, улучшать, оптимизировать. Вторая позиция – это сертификация и испытания. Третья – монтаж, контроль за монтажом и контроль за качеством.

А что касается собственного производства, то логика здесь такая. Производственная отрасль сейчас очень активно совершенствуется. Появляются новые материалы и методы их обработки; возникают центры прототипирования, создаются всё более высокоточные и производительные станки. Ситуация такова, что ты можешь приобрести себе самый современный 3d-принтер, а через пару месяцев он уже устареет. Так что покупка парка всего необходимого оборудования и тем более его поддержание в актуальном состоянии будет неоправданно дорогой. Поэтому, производить посредством аутсорсинга оказывается дешевле. Тем более что многомиллионными тиражами сегодня уже практически ничего не производится; все переходят на малые партии.

Ну и самое главное, в случае с высокотехнологичной продукцией, используя аутсорсинг, я всегда могу законтрактоваться с тем партнёром, который в текущий момент использует наиболее современное оборудование или наиболее передовую технологию. Причём именно то, что тебе нужно, ты порой находишь в самых неожиданных местах, в каких-то смежных отраслях, в линейных производственных процессах. И как вывод из всего сказанного, я обозначу: у нас есть чёткое понимание, что нет никакой нужды замыкать все эти процессы на себя, и уж тем более локализовывать их.

– Насколько сейчас широка география ваших партнёров и насколько сложными являются возникшие кооперационные связи?

Во-первых, у нас уже возникла определённая конкуренция, то есть избыточность предложений по так называемой аддитивке (технологиям послойного синтеза). В результате мы можем производить 3d-продукцию очень оперативно, малыми партиями и при этом за сопоставимые с традиционными методами обработки материалов деньги. А 70% нашего двигателя – это именно аддитивные технологии, то есть запрограммированное «выращивание» металлических конструкций с помощью 3d-принтера, который сразу делает готовое изделие из аморфного металла. Есть,  конечно, определённые проблемы с обработкой поверхностей и шлифовальными процессами (типовой недостаток аддитивных технологий), но у нас уже имеется и несколько потенциальных поставщиков решений для их устранения.

Некоторые из деталей двигателя: сразу после выхода из станка и вскоре после небольшой обработки.

На этапе экспериментов с аддитивными технологиями. Уже просматривается будущий облик двигателя.

Есть некоторые сложности с комплектующими для топливной системы: пока что мы не умеем делать очень точные патрубки с микроразмерами, особенно конусные, сужающиеся. Подходящего для этих задач партнёра в России мы пока не нашли. А ведь хотелось бы производить и более сложные структуры, такие как труба в трубе со связями, фиксирующими внутреннюю трубу. Понятно, что здесь нам нужно кооперироваться с учёными, экспериментаторами: садиться и решать этот вопрос совместно. Также есть проблемы с керамическими подшипниками. Производителя надлежащего качества мы смогли найти только за рубежом.

Повторюсь, но всё-таки ещё раз обращу ваше внимание на то, что решения часто приходится искать в каких-то смежных областях. И они там действительно находятся. Например, медицинская промышленность научилась делать очень тонкие медицинские иглы. И именно здесь лежит решение задачи производства качественных трубок микроразмера для подачи топлива в температурно-агрессивную камеру сгорания двигателя.

Говоря в целом, сейчас мы дошли до очень высокого уровня российской локализации: доля зарубежных комплектующих не превышает 10% в общей комплектации и стоимости двигателя. Из этого я могу сделать вывод, что высокотехнологичных производителей в России не так уж и мало, хотя большинство этих технологий, конечно, привозные.

Готовый двигатель в сборе. Хорошо видна фактура корпуса и сопла, изготовленных аддитивным способом.

– С какими-то другими сложностями сталкиваетесь?

Да, и это наши российские традиции. Мы создаём 3d-модели двигателя, на которых очень внятно видны все размеры, все допуски, все связи элементов. Каждый элемент «вытаскивается» из 3d-модели и является, по сути, файлом, программой для цифрового станка. Но мы приходим с этим файлом на производство и там начинается типовой диалог:

– Ребята, сделайте нам лучше чертежи. На бумаге!

– А вы понимаете, какой это уровень трудозатрат – сделать чертёж?

– Ничего не поделаешь – мы по-другому не умеем.

В итоге несколько недель моя команда занимается изготовлением чертежей. Потом конструкторские отделы сколько-то времени адаптируют их к производственному циклу. А потом снова переводят в 3d-файл. То есть культура передачи информации от конструктора к станку (я уж не говорю о сборке и прочем) очень консервативна.

– Насколько большие серии вы рассчитываете выпускать?

Монопродукт не будет востребован на рынке даже в количестве 100 штук. Завоевать рынок с помощью монопродукта нельзя. Поэтому я и говорю, что мы должны сделать целую линейку продукции. В Америке каждый год продаётся примерно 30 тысяч микротурбин. И это очень крутой рынок, но он уже перенасыщен и забрендирован. Более того, ассортимент двигателей настолько широк, что в диапазоне от 50 до 200 Ньютонов можно приобрести любой двигатель с шагом в 10 Ньютонов.

Но такая продуктовая линейка крайне инвестиционно затратна, поэтому выходить на рынок мы можем только с какими-то более или менее универсальными продуктами, с взаимозаменяемыми деталями и универсальными частями. Говорить о конкретных цифрах пока сложно, но мы находимся в очень выгодном положении, поскольку других российских производителей микротурбин сейчас нет, а спрос на них постепенно формируется. Для нас это хороший шанс войти в мировую элиту производителей малых турбин. При этом мы очень гордимся тем фактом, что не копировали имеющиеся в мире аналоги, а создали собственное сложнейшее энергетическое устройство, применяя современные методы анализа и моделирования, новейшие технологии, материалы и эффективные формы производственной кооперации.


Подпишитесь на eRazvitie.org в Фейсбуке и ВКонтакте, чтобы не пропустить новые материалы.