Когда полетят самолеты с российским роторным двигателем из композитных материалов?

Ученые из Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова создали РПД на основе материалов нового поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов. Работа велась в рамках совместного проекта с Фондом перспективных исследований.

Основным направлением исследований было создание односекционного экспериментального роторно-поршневого двигателя, на базе которого можно изготовить модельный ряд авиационных РПД мощностью от 100 до 400 л.с.

Важное направление исследований — это применение керамики на базе карбида кремния в роторно-поршневом двигателе для увеличения его ресурса. Из керамики изготавливается вставка статора, все уплотнения, а также производится напыление на крышке. Композиты, которые были применены в разных элементах двигателя в процессе испытаний сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композитных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД. (Лаборатория специальных проектов Фонда перспективных исследований и ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»)

В результате проведения стендовых испытаний двигателя-демонстратора подтверждена работоспособность деталей и покрытий из керамических композитных материалов на основе карбонитрида титана и карбида кремния. Их применение в совокупности с качественной проработкой конструктивных решений позволило снизить удельный вес двигателя на 15-20 %, а также решить основную проблему роторно-поршневых двигателей, повысив ресурс уплотнений. Высокотемпературная керамика в камере сгорания двигателя позволила применить более бедные топливовоздушные смеси и за счет этого добиться низкого удельного расхода топлива. Система турбонаддува и электронная система управления двигателем позволили значительно улучшить удельные мощностные характеристики и расширить возможность применения двигателя на различных летательных аппаратах.

Интегрирование в систему шумоглушения картриджа из высокотемпературного пористого композитного материала на основе карбида кремния позволило снизить уровень шума.

При этом часть элементов системы турбонаддува была изготовлена с помощью технологий 3D-печати с применением отечественного сырья. Также практически с нуля разработана электронная система управления двигателем.

Однако мощность — не единственная важная характеристика двигателя. Одним из важных параметров является малый удельный расход топлива. По сообщению разработчиков, удельный расход топлива на созданном РПД не превышает 217 г на лошадиную силу в час (295 г на 1 кВт). И хотя он выше, чем у лучших современных поршневых двигателей такой же мощности, зато такой двигатель в два-три раза компактнее и имеет значительно меньший вес.

Пока разработчики планируют применять созданные небольшие РПД для легкой авиации — как беспилотников, так и управляемых аппаратов. Примененные технические решения позволят существенно повысить грузоподъемность летательных аппаратов, а также длительность нахождения их в воздухе. Важно, что установка таких двигателей возможна также на уже существующие машины без значительной модернизации конструкции и задействованных в работе самолета систем.

У роторно-поршневого двигателя много достоинств: он компактен, у него малые вибрации и очень хорошая отдача по весу, он гораздо проще поршневого двигателя по количеству деталей, достаточно экономичен. Еще одно его достоинство — модульность: отработав одну секцию, можно создать унифицированный ряд двигателей, используя одну, две или три секции. Пока исследователи разработали секцию мощностью 90 л.с., что в дальнейшем позволит создать без больших дополнительных затрат двигатели мощностью 180 и 270 л.с. (Лаборатория специальных проектов Фонда перспективных исследований и ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»)

Повышение экономичности при одновременном увеличении ресурса – задачи следующего этапа испытаний. Также планируется проведение испытаний в термобарокамере высотно-климатического стенда с имитацией высоты полета до 10 000 метров. В дальнейшем модульная конструкция РПД позволит разработать модификации двигателя для применения в наземных и робототехнических изделиях.

В ходе реализации проекта проведены исследования процессов смесеобразования и горения в рабочей камере, а также получены физико-механические характеристики, применяемых в проекте интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композиционных материалов, в том числе образцов материалов, изготовленных с применением аддитивных технологий - послойного наращивания и синтеза детали с помощью компьютерных 3D технологий. Полученные показатели превосходят современные жаропрочные стали и сплавы при значительно меньшей удельной плотности.

Прошло уже достаточно много времени, когда опытный образец успешно прошел испытания по определению технических характеристик. Но когда он появится в серийном производстве и будет установлен на летательных аппаратах?