К 85-летию со дня рождения Генерального конструктора А. М. Люльки

Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий, генеральный конструктор, академик АРХИП МИХАЙЛОВИЧ ЛЮЛЬКА

23 марта 1908 г. в селе Саварка Богуславского района Киевской области в многодетной семье крестьянина Михайлы Ивановича Люльки родился сын Архип. Рано оставшись без родителей, он сполна испытал тяготы гражданской войны. Детям села, где жил Архип, повезло: там была хорошая школа, и преподавали в ней талантливые учителя. Увлеченность, любознательность, необыкновенность односельчане замечали в Архипе с юных лет, считая, что он обязательно будет большим человеком.

В 16 лет A. M. Люлька поехал в Белую Церковь учиться в профтехучилище при машиностроительном техникуме – так во многом был предопределен выбор жизненного пути. Для того, чтобы учиться и жить, приходилось по вечерам подрабатывать кузнецом и слесарем. Первая неудача с поступлением в Киевский политехнический институт не обескуражила юношу, он упорно продолжал готовиться. На следующий год из 150 абитуриентов на механический факультет поступили лишь 20, и среди них – Архип Люлька. После окончания КПИ в 1931 г. молодого инженера направляют в аспирантуру при Научно-исследовательском институте промышленной энергетики в Харькове. Затем он работает инженером-исследователем на Харьковском турбинном заводе и на кафедре авиационных двигателей Харьковского авиационного института. В то время в институте шли работы по проектированию паротурбинной силовой установки для тяжелого бомбардировщика. Начинающий конструктор взял на себя разработку конденсатора, в котором отработанный пар превращается в воду. Однако, вникнув в суть проблемы, он пришел к выводу о принципиальной непригодности паровой турбины для авиации в первую очередь из-за больших размеров конденсатора.

Познакомившись с работами французского ученого Мориса Руа и советского профессора Б. С. Стечкина, A. M. Люлька окончательно утвердился в мысли, что основой силовой установки перспективных самолетов станут газотурбинные двигатели. Он добился закрытия темы по паротурбинной СУ и с группой энтузиастов приступил к теоретическим исследованиям и конструктивным проработкам турбореактивного двигателя (ТРД). В кругу авиационных специалистов эти работы были встречены с недоверием. Указывалось на трудности научно-технического и производственного характера. Кроме того, считалось, что применение такого двигателя не оправдает себя из-за больших расходов топлива на малых и средних скоростях полета.

В чем же состоит принцип работы турбореактивного двигателя? В своей последней прижизненной статье() A. M. Люлька писал: "В ТРД воздух из атмосферы поступает в компрессор. Затем в камере сгорания, где сжигается химическое топливо, сжатый воздух смешивается с продуктами сгорания и подогревается до высокой температуры. Полученный газ направляется в турбину, мощность которой используется для вращения компрессора. Но газ, отработавший в турбине, обладает еще значительной энергией. Далее газ поступает в сопло, где он, расширяясь, разгоняется до большой скорости, значительно превышающей скорость полета, за счет чего и создается необходимая тяга". Кажется, все очевидно и просто, но в 1937 году, чтобы доказать техническую возможность реализации такого двигателя, приходилось преодолевать многие трудности.

Совершенно независимо над созданием ГТД работали: Ф. Уиттл в Англии, А. Грифитс и Г. Огайн – в Германии. Разработкой газовой турбины для авиации серьезно занимались в МВТУ имени Н. Э. Баумана под руководством профессора В. В. Уварова. Однако задача увеличения скорости полета решалась не кардинально, так как движителем в разрабатываемой силовой установке оставался воздушный винт, к. п. д. которого с ростом скорости полета резко уменьшается. Кроме того, как доказал A. M. Люлька, работающая на винт газовая турбина эффективна лишь при высокой температуре газа, а в то время еще не было создано необходимых жаропрочных сплавов.

В 1938 г. группой A. M. Люльки разработан проект "Ракетного турбореактивного двигателя РТД-1", рассчитанного на скорости полета до 900 км/ч. Предусматривалось, что он будет иметь двухступенчатый центробежный компрессор, камеру сгорания, одноступенчатую турбину и сопло. Выбор центробежного компрессора обуславливался широким применением таких компрессоров в системах турбонаддува высотных поршневых двигателей, достаточно развитой их теорией, опытом проектирования, производства и доводки. Проект получил положительное заключение экспертизы и был рекомендован к дальнейшей разработке. Тем не менее, работы над РТД-1 в ХАИ не были поддержаны, и Архип Михайлович добился своего перевода в специальное конструкторское бюро, созданное по решению правительства. СКБ-1 располагалось в Ленинграде на Кировском заводе и по тем временам имело хорошую экспериментальную и производственную базу. Здесь удалось в короткое время разработать проект нового двигателя РД-1, рассчитанного на тягу 530 кгс, и подготовить рабочие чертежи всех узлов и деталей. Отличительной особенностью этого проекта являлось применение осевого компрессора, что позволило существенно сократить диаметр двигателя, увеличив таким образом лобовую тягу, и облегчить компоновку двигателя на самолете.

8* Журнал "Наука и жизнь", №10, 1984 г.

Схема ТРДД (из авторского свидетельства А. М. Люльки за №312328. 25 от 22. 04. 41 г. ): 1 – входной диффузор; 2 – вентилятор; 3 – компрессор высокого давления; 4 – камера сгорания; 5 – турбина; 6 – сопло

Схема первого турбореактивного двигателя РТД, разработанная инженером А. М. Люлькой в 1937 г.

Накануне войны турбореактивный двигатель РД-1 был готов на 70%

Первый отечественный турбореактивный двигатель ТР-1

Принимая критику по поводу недостаточной экономичности разрабатываемого ТРД, A. M. Люлька предложил схему и развил теорию двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД). Такой двигатель отличался от одноконтурного применением низконапорного вентилятора, установленного за входным диффузором, и разделением потока воздуха за вентилятором на два, из которых один проходит через компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину, образующие внутренний контур, а другой – по наружному контуру, смешиваясь затем с продуктами сгорания внутреннего контура. Вследствие подачи сравнительно холодного воздуха наружного контура температура газа перед соплом падает и скорость реактивной струи уменьшается. Сближение скорости струи со скоростью полета повышает к.п.д. двигателя, что в совокупности с увеличением расхода воздуха через тракт двигателя улучшает экономичность. Наряду с работой над двухконтурной схемой двигателя конструктор в 1939-1941 гг. разрабатывал и другие типы воздушно-реактивных двигателей, в том числе и ТРД с форсажной камерой сгорания.

В мае 1941 г. до 70% деталей двигателя РД-1 были готовы и испытаны, однако начало войны прервало работы над ним. По решению правительства они возобновились осенью 1942 г. Архип Михайлович на военно-транспортном самолете был доставлен в блокадный Ленинград, откуда вывез спрятанные на территории завода детали, чертежи и результаты испытаний. Двигатель планировалось установить на самолете конструктора М. И. Гудкова. В качестве прототипа служил ЛаГГ-3. Михаил Иванович Гудков вспоминал: "Мы долго думали с Архипом Михайловичем, как лучше перекомпоновать РД-1 для установки его на истребитель- Ведь это была первая попытка (в СССР – B. C. ) установить на самолет турбореактивный двигатель. За несколько недель проект закончили и получили положительное решение ЦАГИ. А дальше дело не пошло: новая техника выглядела слишком необычно, в ней сомневались".

А за границей работы над созданием самолетов с ТРД находились уже на этапе внедрения в серийное производство. В Германии испытывались самолеты Не-162 с BMW-003 и Ме-262 с Jumo-004, а в. Англии – "Метеор" с Dervent V. Лишь в 1943-44 гг., когда произошли первые воздушные бои с участием немецких реактивных истребителей и было продемонстрировано их явное преимущество, в СССР стали форсировать работы над ТРД и реактивными самолетами. В это время A. M. Люлька возглавил отдел в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ), а затем перевелся в специализированный научно-исследовательский институт.

Здесь под его руководством был разработан технический проект ТРД С-18 тягой 1250 кгс с восьмиступенчатым осевым компрессором. В начале 1945 г. изготовили пять экземпляров двигателя и приступили к испытаниям. Начался длительный и непростой этап доводки. Тогда впервые встретились с грозным, ранее неизвестным явлением – помпажем. При выводе первого экземпляра двигателя на режим повышенной тяги возникла неустойчивость работы, сопровождавшаяся резким неуправляемым ростом температуры газа и выбросом его через компрессор. В считанные секунды двигатель превратился в груду искореженного металла. Надо сказать, что Архип Михайлович считал своим долгом лично присутствовать на испытаниях. Однажды один из проверяемых на стенде двигателей буквально взорвался во время работы. Вылетевший со скоростью снаряда диск турбины чуть было не убил конструктора. К счастью, все обошлось.

Вскоре в НИИ поступили разбитые, обгоревшие турбореактивные двигатели Jumo со сбитого немецкого самолета и два трофейных образца в исправном состоянии. Испытания показали, что тяга Jumo на 350 кгс меньше, чем у С-18, а вес и удельный расход топлива – больше. Однако немецкий двигатель имел более совершенную и многофункциональную систему автоматического управления. Интерес представляли технология изготовления деталей и конструкция вспомогательных агрегатов. Архип Михайлович с должным вниманием отнесся к достижениям немецких конструкторов.. Вскоре по предложению военных специалистов и представителей авиационной промышленности было принято решение о постройке летного варианта двигателя, получившего наименование ТР-1. Двигатель имел воздухозаборник – входной диффузор, окруженный масляным баком, в котором масло охлаждалось потоком воздуха. Внутри кока устанавливался воздушный стартер. Осевой восьмиступенчатый компрессор обеспечивал повышение давления воздуха в 3, 16 раза. В кольцевую камеру сгорания топливо подавалось через центробежные форсунки. В процессе сгорания температура газа не превышала 1050 К, что позволило исключить применение внутреннего охлаждения лопаток. Двигатель развивал тягу 1360 кгс при удельном расходе топлива 13 кг/кгс-ч.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-7Ф

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-21Ф-3

Двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-31Ф

Преодолев множество трудностей, сопутствующих всему новому, коллектив A. M. Люльки представил ТР-1 на государственные стендовые испытания в начале 1947 г. Под новый двигатель П. О. Сухой разработал истребитель Су-11. 28 мая Су-11 с двумя ТР-1 совершил первый полет и вскоре достиг скорости 900 км/ч. Летом того же года испытывался и опытный бомбардировщик С. В. Ильюшина Ил-22 с 4 двигателями ТР-1.

Одновременно с доводкой ТР-1 Архип Михайлович руководил работой над двигателем тягой 4500 кгс, получившим наименование ТР-3. Позже этот двигатель был запущен в производство под маркой АЛ-5. В 1951 г. бомбардировщик Ил-30 с двумя такими двигателями достиг скорости 1000 км/ч. Модификацией АЛ-5 тягой 5100 кгс оснащались бомбардировщик Ил-46, экспериментальные истребители Як-1000 и Ла-190. Последний достиг скорости 1190 км/ч. По мнению многих специалистов АЛ-5 был одним из лучших в то время советских двигателей для военной авиации.

Параллельно A. M. Люлька занимается проблемой создания сверхзвукового компрессора, рабочие лопатки которого обтекаются потоком воздуха со скоростью, превышающей скорость звука. Это позволяет увеличить пропускную способность компрессора, поднять степень повышения давления, уменьшить массу и габариты двигателя при сохранении или даже увеличении тяги. Двигатель ТР-7, имеющий первую сверхзвуковую ступень компрессора, прошел испытания в 1952 г. Его тяга составляла 6500 кгс. Под обозначением АЛ-7 двигатель предполагалось установить на бомбардировщик Ил-54.

В первоначальном варианте АЛ-7 не имел форсажной камеры сгорания/ Спустя всего лишь год конструкторское бюро разработало АЛ-7Ф – вариант двигателя с форсажной камерой, расположенной за турбиной. При реализации процесса горения температура газа в этой камере достигает 2000 К, газы истекают из сопла со скоростью свыше 1000 м/с, благодаря чему и достигается существенный прирост тяги. Осенью 1957 г. испытывается истребитель Су-7 с АЛ-7Ф. Самолет развил скорость, более чем в два раза превышающую скорость звука, и достиг высоты

полета свыше 18 км. На базе этого истребителя П. О. Сухой менее, чем за год, создал один из наиболее удачных и универсальных самолетов того времени – истребитель-бомбардировщик Су-7Б, а затем и истребитель-перехватчик ПВО Су-9. Именно АЛ-7Ф стал первым массовым двигателем А. М. Люльки, принесшим ему мировую известность. С 1960 г. АЛ-7Ф устанавливались на дальнем перехватчике Ту-128П. В 1959-62 гг. на экспериментальных самолетах П. О. Сухого Т-431 и Т-405 с этими двигателями были установлены мировые рекорды скорости, скороподъемности, высоты полета. Бесфорсажный вариант АЛ-7ПБ с компрессором из нержавеющих сталей применялся на летающей лодке Г. М. Бериева М-10Г.

Для того, чтобы турбореактивный двигатель развивал большую тягу, необходимо увеличивать степень повышения давления воздуха в компрессоре и температуру газа перед турбиной, а экономичность достигается при оптимальном соотношении этих параметров и высоких к. п. д- узлов. На пути реализации этих требований перед конструктором встает множество трудноразрешимых задач, особенно минимизации массы и габаритов двигателя. Этапным для КБ А. М. Люльки стал ТРДФ АЛ-21Ф. Для обеспечения высокой степени повышения давления компрессор был выполнен 14-ступенчатым с 10 поворотными направляющими аппаратами. Это гарантировало как высокую газодинамическую устойчивость, так и высокий к. п. д. Малая масса компрессора и двигателя в целом обусловлена широким применением в нем титановых сплавов. Турбина имела воздушную систему охлаждения с автоматическим регулированием расхода охлаждающего воздуха. Впервые за форсажной камерой устанавливалось сверхзвуковое регулируемое сопло Лаваля. Управление режимами работы обеспечивалось многофункциональной гидромеханической системой. С 1967 г. этот двигатель устанавливался на истребитель-бомбардировщик Су-17 и фронтовой бомбардировщик Су-24. Постоянно совершенствуясь, АЛ-21Ф эксплуатируется по настоящее время.

Решая задачи сопровождения двигателей в серийном производстве и / эксплуатации, работая над повышением их надежности и ресурса, A. M. Люлька уделял особое внимание созданию научно-технического задела на будущее. В середине 70-х годов возникла потребность в разработке двигателей четвертого поколения. Таким двигателем стал АЛ-31Ф. В отличие от ранее созданных, он – двухконтурный, т. е. такой, каким в конце 30-х гг. представлял Архип Михайлович двигатель перспективного самолета. АЛ-31Ф имеет два ротора, вал одного расположен внутри вала другого. Основные узлы двигателя представляют собой легкозаменяемые в условиях эксплуатации модули. В последовательно расположенных вентиляторе и компрессоре давление воздуха повышается более, чем в 20 раз. Устойчивая работа компрессора обеспечивается применением регулируемых направляющих аппаратов. Многофорсуночная камера сгорания гарантирует равномерное поле температуры газа перед турбиной. Эта температура на максимальных режимах превышает 1600 К. Работоспособность деталей при столь высокой температуре обеспечивается применением развитой системы охлаждения, а также тем, что лопатки турбины изготовлены из жаропрочных и жаростойких сплавов методом направленной кристаллизации. Регулируемое сверхзвуковое сопло Лаваля обеспечивает полное расширение потока и хорошо компонуется в интегральную схему самолета. Комбинированная система автоматического управления имеет в своем составе ЭВМ и гидромеханические регуляторы. ЭВМ обеспечивает также диагностирование двигателя.

Двигателями АЛ-31Ф оснащен всемирно известный истребитель Су-27. Именно благодаря уникальным характеристикам двигателя на этом самолете установлено 11 мировых рекордов, обеспечивается выполнение таких фигур высшего пилотажа, как "Колокол" и "Кобра Пугачева". Эксплуатируются либо испытаны несколько модификаций двигателя, в том числе с плоским соплом (с управляемым вектором тяги).

АЛ-31Ф – последний двигатель, который был запущен в серийное производство при жизни A. M. Люльки. Архип Михайлович умер 1 июня 1984 г., оставив огромное научное наследие. Двигатели с маркой АЛ продолжают работать, совершенствуются, развиваются.

Несомненно, A. M. Люлька – выдающаяся личность в истории мировой авиации. Огромная инженерная интуиция и конструкторский талант сделали его одним из основоположников практической реактивной авиации. Прирожденный руководитель и обаятельный человек, он увлекал за собой людей на постоянный творческий поиск. Научно-производственное объединение "Сатурн", носящее имя A. M. Люльки, продолжает реализацию замыслов своего основателя. Новые двигатели с оптимизацией технико-экономических характеристик за счет изменения в полете степени двухконтурности будут обеспечивать высокий уровень параметров и полную интеграцию с летательным аппаратом.

ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ДВИГАТЕЛЕЙ A. M. ЛЮЛЬКИ

Литература

Кузьмина Л. М. Огненное сердце. М., "Московский рабочий", 1988.

Пономарев Б. А. Советские авиационные конструкторы. М., Воениздат., 1990.

Струков Ю. П. Мировое самолетостроение. Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Авиастроение, т. 12, Развитие авиационной науки и техники в СССР. М., Наука, 1980.

Люлька А. М. Реактивный двигатель – революция в авиации. Наука и жизнь, №10, 1984.

Огородников Д. А., Сосунов В. А. Развитие советского авиадвигателестроения (К 60-летию ЦИАМ имени П. И. Баранова). Техника воздушного флота, №2, 1991.

SU-27s Lulka engines designed for 3000-H. survice life. Aviation Week and Space Tecnology, №13, 1990.

Информационные бюллетени салонов "АВИАДВИГАТЕЛЕСТ- РОЕНИЕ-90", "АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕ-92".

АВИАСАЛОН

А. Ю. Совенко