В январе 2019 года сотрудники Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) успешно завершили испытания первого в мире полностью алюминиевого авиадвигателя. Руководитель группы разработчиков, профессор кафедры самолето- и вертолетостроения НГТУ Илья Зверков рассказал о том, почему конструкцию нового двигателя можно считать уникальной, а также преимуществах и перспективах его серийного производства. 

- Когда зародилась идея разработки двигателя, состоящего из алюминия? 

- Алюминиевые сплавы очаровали меня ещё в детстве, когда я вычитал в энциклопедии, что алюминий самый распространённый металл на земле. В техникуме и в институте с восторгом познавал волшебство сплавов, образование эффектов закалки и старения. Алюминий – идеальный материал для строительства крылатых машин. Традиционно алюминий используется и в двигателестроении, но камнем преткновения использования его в подвижной механике всегда было то, что в паре трения алюминий по алюминию фактически не работает. Директор фирмы ЗК-Мотор Игорь Спартакович Ким познакомил меня с замечательными людьми из лаборатории Ольги Петровны Терлеевой Института Неорганической Химии СО РАН (ИНХ СО РАН), которые на протяжении десятка лет занимались проблемой повышения прочности алюминия и решили её! С кандидатом химических наук Алексеем Борисовичем Роговым мы сконструировали и изготовили первые алюминиевые узлы мотора, которые изначально всегда были стальные или чугунные. С этого момента я понял, что алюминиевому двигателю быть. 

- Почему при производстве авиадвигателя использовался именно алюминий, и какие преимущества он дает? 

- Алюминиевые сплавы имеют два значимых для авиации преимущества. Во-первых, высокая технологичность в обработке. В зависимости от свойств сплава и его состояния закалки мы можем его лить, тянуть, гнуть, фрезеровать с высокой скоростью и небольшими затратами. Во-вторых, это высокие удельные показатели прочности, то есть отношение максимальных напряжений к весу материала. Есть и ограничения – это невысокая по сравнению со сталями усталостная прочность, но в авиации, где замена узлов происходит не «на глаз», а в соответствии с установленным регламентом, это не столь критично. 

- Производятся ли в мире подобные алюминиевые конструкции, насколько разработка НГТУ является уникальной? 

- В части создания алюминиевого кривошипно-шатунного механизма и главного редуктора поршневого авиадвигателя разработка является абсолютно уникальной. Секрет в том, что мы не пытались встроить созданную ИНХ СО РАН технологию Плазменно-электролитического оксидирования в существующие конструкции двигателей. Мы создали конструкцию двигателя под эту технологию с учётом её особенностей. 

- Расскажите подробнее о технологии плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО). 

- На данный момент мне сложно сказать, где эта технология появилась раньше. Она имеет множество разновидностей и названий, таких как МДО, ЭПО, ПЭО, МПО, но точно знаю, что одними из первых ей занялись в Институте неорганической химии СО РАН. Ещё в 1979 году в известиях Академии наук СССР была опубликована статья «Новое явление в электролизе» Николаева и Маркова. И дальше этот метод изучался с научной точки зрения. 

Суть метода заключается в проведении электролиза при напряжении на ванне от 300 до 1000 В. При этом напряженность электрического поля в растущем покрытии достигает 10-10 В/м, что создает условия для возникновения на поверхности металлического электрода микроплазменных разрядов. Горение микроплазменных разрядов приводит к резкому ускорению роста оксидного слоя и изменению его химических и физических свойств. При этом формируются плотные малопористые слои высокотемпературных модификаций оксидов. Можно получать прочные износо- и коррозионностойкие покрытия на изделиях самой сложной формы. 

Применение этой технологии дает возможность наносить покрытия, приближающиеся по своим свойствам к керамике на легкоплавкие металлы, в том числе и на алюминий и алюминиевые сплавы, которые в агрессивных средах требуют защиты от коррозии. Но конструирование деталей с применением этой технологии требует особого подхода. Есть несколько моментов, сдерживающих применение технологии в массовом производстве. 

Первый – высокая энергоёмкость и агрессивность метода к самой детали. Обработать только часть детали, не повредив остальные поверхности не так-то просто. Второй момент – необходимость точной обработки деталей алмазным инструментом после проведения плазменно-электролитического процесса для придания поверхности требуемых размеров и шероховатости. Ну и третье: процесс весьма длителен – от 2 до 3 часов на деталь. Поэтому в сегменте массового производства пока у него вряд ли есть шанс на широкое распространение. Однако авиационный двигатель к массовому сегменту никак отнести нельзя, поэтому для него применение этой технологии я считаю вполне оправданным. 

- Где будут отлиты основные детали для двигателя? 

- Я искренне желаю, чтобы весь двигатель и, в том числе и отливки делались в родном Новосибирске. У нас для этого есть в городе все необходимые средства и специалисты. Но я нисколько не против, если производство будет развиваться где-то ещё. Предложения поступают, но на данном этапе развития проекта большие расстояния мешают оперативным действиям. 

- Как долго длились испытания, кто еще принимал в них участие? 

- Если отсчитывать время испытаний с момента установки двигателя на испытательный стенд, то около 9 месяцев. Испытаниями занимались аспиранты и выпускники НГТУ, все члены нашего СКБ факультета летательных аппаратов НГТУ: бессменный руководитель СКБ Юрий Васильевич Мохов, аспиранты Илья Коновалов, Никита Коваль, выпускники НГТУ к.т.н. Алексей Крюков, Вячеслав Чехов. Это только те, кто стояли у рычагов и крутили гайки, а сколько ещё тех, кто обеспечивал нашу работу на аэродроме «Мочище»! Без них испытательская жизнь была бы намного тяжелее. Поэтому огромная благодарность команде аэродрома, руководимой Сергеем Николаевичем Долгановым, и начальнику аэродрома Александру Николаевичу Осокину. 

- Столкнулись ли Вы с серьезными проблемами во время проведения испытаний? 

- К счастью, ничего серьезного не произошло. Лишь текущие «радости» новаторской жизни. В очередной раз сработало правило «Сломается то, что не должно было по идее ломаться, поэтому собрано так, что туда не залезть». Не выдержал, например, заявленных в характеристиках нагрузок покупной планетарный редуктор, установленный в конструкции диностартера. Дальше заводили по-дедовски, от внешнего стартера. Из-за неудачной конструкции масляных канавок шатуна произошёл скол твёрдого слоя, повредивший сальники масляной системы, из-за чего испытания первой конструкции двигателя после 10 часов наработки пришлось прекратить и разбирать весь двигатель. Ну и так далее…. Эти вещи, на мой взгляд, интересны только участникам проекта, которые прослеживали всю цепочку событий, ведущих к данному негативному результату, чтобы понять, как же это не допустить в будущем. 

- Какие перспективы у нового авиадвигателя, планируется ли его серийное производство? 

- Да, двигатель изначально разрабатывается под мелкосерийное производство. Ближайшие планы – 40 двигателей в год. Дальше необходимо будет наращивать мощности цеха плазменноэлектролитической обработки деталей. 

- Что Вы можете сказать об экспортном потенциале авиадвигателя? 

- Первоначальная задача – удовлетворить спрос отечественных потребителей. Если будут излишки, начнём поставлять за рубеж. Потребности там в таком двигателе тоже есть, люди пишут, предлагают найти инвесторов. Нам сейчас эта история не особо интересна, потому что первоочередная цель – это развить легкомоторную авиацию в Новосибирской области. На наш взгляд, это самый верный путь устойчивого развития всей отрасли лёгкой авиации. Более интересно налаживание тесного взаимодействия с ВИАМом и РУСАЛом, чтобы они нам предоставили новые алюминиевые сплавы для экспериментальных деталей. Тогда, возможно, новый алюминиевый двигатель будет ещё легче и мощнее. 

Справка: 

Илья Дмитриевич Зверков родился 1975 году в Новосибирске. Окончил новосибирский авиационный техникум, затем факультет летательных аппаратов Новосибирского государственного технического университета в 2000 году. Доктор технических наук, профессор кафедры самолето- и вертолетостроения НГТУ.