Ірік Імамутдінов, Авдей Кірпічніков
У 1765 році англієць Джеймс Уатт винайшов парову машину, поклавши початок довгому ланцюжку інновацій в двигунобудування. У 1860 році французький механік Етьєн Ленуар розробляє перший поршневий двигун внутрішнього згорання. У 1889 році швед Карл Густав Патрік Лаваль, удосконалюючи молочний сепаратор, приходить до ідеї парової турбіни. Мрії Костянтина Ціолковського про міжпланетні польоти на початку нашого століття стимулюють створення рідинно-реактивного двигуна. Всі ці винаходи, значно удосконалені, в тій чи іншій мірі визначають сьогоднішній технологічний ландшафт людської цивілізації.
Поршневі, газотурбінні і рідинно-реактивні двигуни виробляють понад 60% усієї вироблюваної людством енергії. Незважаючи на численні альтернативні варіанти на зразок атомних реакторів, паливних елементів, сонячних батарей та ін., Левова частка корисної роботи проводиться установками, в основі яких лежать ідеї сторічної давності. Виробники двигунів в цілому скептично ставляться до можливості радикально змінити технології. Тому, коли до редакції прийшов черговий винахідник, який запевняв, що він зробив революцію в світовому двигунобудування, нам нічого не залишалося, як ховати іронічні посмішки. Втім, коли з'ясувалося, що новою розробкою цікавляться такі серйозні компанії, як «Даймлер-Крайслер», «Ман» і деякі російські інвестори з вищої ліги середнього бізнесу, ми вирішили провести експертне опитування на предмет доцільності інвестицій у доведення цього винаходу до серійного випуску. Виявилося, що «черговий винахідник» не божевільний і навіть не мрійник. Колишній вепекашний інженер Михайло Кузнєцов розробив установку «Перун», яка мовою фахівців називається об'ємно-струменевим двигуном (ДОС). Пропонована їм інновація, що об'єднала суттєві риси своїх двигунів-попередників - поршневого внутрішнього згоряння, газотурбінного і рідинно-реактивного, цілком закономірний крок у ході розвитку двигунобудування (див. також «Двигун працює» книги «Грюндери і грюндерство», гл. 16).
Від машини до ракети
Поки поршневі двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) залишаються найпоширенішим класом теплових машин. За рік у світі їх випускають понад 40 млн. Вони використовуються в більшості транспортних засобів і рідше - в енергоустановках. Цікаво, що всі основні деталі, з яких цей двигун складається - циліндр, поршень, свічки запалювання, існували вже в ленуаровском варіанті. Звичайно, сучасний поршневий ДВС з ефективним ККД, досягає в дизельних моторах 50%, істотно відрізняється від свого попередника, який палив 95% палива вхолосту, але в цілому принцип роботи залишився тим же.
Перевага поршневих ДВЗ в тому, що вони забезпечують великий крутний момент при різних швидкостях обертання мотора і різних режимах знімання з нього потужності. Але у цих установок низький показник виходу потужності на одиницю ваги - 0,8 кг / кВт, відносно низький ефективний ККД - близько 30%, а питома ефективна витрата палива складає в середньому близько 250 г / кВт · год Незважаючи на всі хитрощі конструкторів, ці двигуни залишаються одними з основних забруднювачів навколишнього середовища: паливо повністю в циліндрі не згорає, і цей недолік не ліквідується ні за рахунок комп'ютерного управління створенням і уприскуванням паливної суміші, ні за рахунок допалювання вихлопних газів.
Ще один поширений тип ДВС - газотурбінні двигуни (ВМД). Струмінь пари або продуктів горіння палива закінчується з сопла на лопаті турбіни, викликаючи її обертання; ККД таких двигунів досягає 90%. Проте значну частину (до 60%) виробляється механічної енергії доводиться витрачати на привід компресора, який стискає потік повітря, що надходить у камеру згоряння для її ж охолодження і для збільшення повноти згоряння палива. Наприклад, автомобільний ВМД «Ровер» розвиває близько 265 кВт потужності, а її ефективна складова в три рази менше - близько 90 кВт. Найвищий у двигунах і питома ефективна витрата палива: 300 ... 400 г / кВт · год До того ж, чим менше турбіна, тим вона спритністю, а значить, потрібна більш громіздка система редукторів. Так, у двигуні потужністю 40 кВт турбіна розкручується зі швидкістю 60 тис. обертів на хвилину. Відповідно, виготовлення ВМД економічно невигідно, якщо його потужність складає менше 110 кВт. Це обмежує область застосування ВМД, і вони вкрай рідко використовуються в якості, наприклад, автомобільних моторів. З іншого боку, вони незамінні в стаціонарній енергетиці і авіації, де необхідно виробництво таких потужностей, отримання яких на поршневих силових пристроях було б економічно недоцільним.
Якщо вважати ККД головним критерієм визначення ефективності двигунів, то далі створення рідинних реактивних двигунах (РРД) йти було вже нікуди. Паливо згорає в камері повністю при температурах в тисячі градусів. Це забезпечує максимальний ККД при самому чистому вихлопі робочого тіла, що створює реактивну тягу. Але з ряду причин - висока температура вихлопних газів, вкрай низький ресурс самого двигуна і, головне, економічна недоцільність використання при невеликих потужностях - сфера їхнього застосування обмежується ракетно-космічною технікою.
«Перун» кидає виклик
Справедливості заради варто відзначити, що перша спроба поліпшити характеристики двигуна внутрішнього згоряння за рахунок кардинальної зміни одного з основних елементів - поршня - була зроблена задовго до винаходу Кузнєцова. Фелікс Ванкель ще в 1936 році отримав патент на роторну силову установку (перший автомобіль з таким мотором зійшов з конвеєра в 1963 році), в якій вже не було зворотно-поступального руху поршня. Його потужність виявлялася рівною потужності поршневого мотора з удвічі більшим робочим обсягом. Можливість створення потужного, але легкого і малогабаритного двигуна викликала величезний інтерес з боку автомобілебудівників, десятками стояли в черзі за покупкою ліцензії на його виробництво (до речі, одним з останніх відзначився там і ВАЗ). Але конструктори, за великим рахунком, так і не змогли зменшити питому витрату палива, а ресурс роботи двигуна залишався вкрай низьким, тому великого поширення він не отримав.
Після цього були спроби (у середині 50-х їх зробили американські інженери, а в 70-х - японські) розробити принципову схему сферичної роторної машини (CPM), поєднує принципи роботи поршневого і газотурбінного двигунів. Але особливим успіхом вони не увінчалися.
Незабаром після серпня 1998 року втратив роботу Михайло Кузнєцов вирішив зайнятися втіленням ідеї, почерпнутої їм з публікації в журналі «Техніка - молоді» 35-річної давності. Саме там тодішній студент авіаційного технікуму вперше побачив схему об'ємної сферичної роторної машини. У березні 1999 року винахід було зареєстровано Російським агентством по патентах і товарних знаках, а московський Міжнародний інститут промислової власності оцінив інтелектуальну власність Кузнєцова в 5,64 млн доларів.
Кузнецов знайшов просте і красиве рішення: виніс камеру згоряння, що працює за принципом РРД, за межі СРМ. Це значно підвищувало ресурс роботи двигуна. Професор МАІ, завідувач кафедрою теорії авіаційних двигунів Валентин Рибаков бачить у цьому одна з головних переваг нового пристрою: «Окрема камера згорання дозволяє використовувати всі переваги рідинно-реактивних і газотурбінних двигунів». Можна досягти високих - до 2900 градусів за Цельсієм - температур робочого тіла, при цьому паливо буде вигоряти повністю. До того ж, на думку професора, «таке рішення дасть можливість удосконалювати камеру згоряння окремо від інших складових двигуна, що, безумовно, важливо, коли проект почне реалізовуватися практично».
Роторний вузол утворює в порожнині корпусу СРМ два розширювальних контуру. Кожен з них складається з двох камер змінного об'єму. За один оборот всі вони роблять повний робочий цикл (стиснення та розширення). Зміна робочих циклів відбувається автоматично за рахунок перекриття впускних і випускних каналів ротора.
При використанні в двигуні однієї СРМ один контур працює в якості двигуна, а камери другого контуру - як компресора, завдання якого подавати стиснене повітря в камеру згоряння. Ще одна родзинка винаходу Кузнєцова полягає в тому, що можливі варіанти, у яких можна використовувати одночасно кілька роторних машин в одному двигуні. Просте збільшення їх числа дозволить управляти «літрової потужністю» всієї установки. Скажімо, в літаку всі силові компоненти двигуна будуть включатися при зльоті, а при крейсерському режимі частина з них можна вивести в режим очікування. Це істотно збільшує надійність і ресурс рухової установки в цілому, що особливо важливо в авіації.
Професор Технічного університету імені Баумана, завідувач кафедрою поршневих та комбінованих рухових установок Микола Іващенко зазначає, що «Перун» особливо привабливий для малої авіації. Співробітники його кафедри провели розрахунок математичної моделі двигуна, який підтвердив його працездатність. Бауманське двигуністи довели, що «Перун» володіє низькою питомою вагою на одиницю ефективної потужності і, відповідно, невеликими габаритами. До речі, за розрахунками фахівців, якщо такий двигун помістити в обсяги існуючого моторного відсіку сучасного танка, то його потужність збільшиться в п'ять разів - з 2 тис. до 10 тис. кВт.
Валентин Рибаков зазначив, що роторна машина в двигуні Кузнєцова при порівнянних з газотурбінними пристроями потужностях здійснює значно менше число оборотів (40-кіловатний ВМД обертається зі швидкістю 60 тис. обертів на хвилину, а СРМ досягає тієї ж потужності при 12 тис. обертів на хвилину) , що спрощує редукційний механізм. Професіонали особливо підкреслюють такі переваги винаходи: відсутність зворотного механізму, високий механічний ККД і можливість використання установки в якості компресора або гідронасосу.
Природно, не всі технічні проблеми вирішені: великі втрати при перетіканні продуктів спалювання палива з камери в камеру, дорого обходиться необхідність точної обробки деталей СРМ, міцність конструкції ротора при високих оборотах викликає сумніви. Але, як каже Микола Іващенко, «занадто багато питань - характерна риса всього нового». А Валентин Рибаков упевнений, що технічні питання можна було б вирішити, якби справа дійшла до стендових випробувань хоча б одного досвідченого зразка. З цим якраз і трапилася заковика. По-перше, впровадження інновації такого рівня вимагає великих інвестицій і часу. Сам Кузнецов стверджує, що для доведення його проекту до розуму знадобиться сім-десять років і не менше 100 ... 200 млн доларів. Перший етап - проектний - може зайняти півтора року і коштуватиме близько 100 тис. доларів. Наступний крок - виробництво декількох працюючих зразків - займе не менше року. Їх випробування повинні внести корективи в розрахунки конструкторів і, відповідно, стати основою для подальшого виробництва. Обійдеться це не менш ніж у мільйон доларів. Потім, якщо двигун дійсно покаже гарні характеристики, підуть витрати іншого порядку - на виведення продукту в серійне виробництво.
А по-друге, «Перун» кидає серйозний виклик традиційному двигунобудування. Авіаційні, автомобільні та енергобудівний концерни витратили вже чимало грошей на доведення старих ідей, для них це занадто радикальний спосіб підвищити конкурентоспроможність своєї продукції. Може бути, тому переговори з потенційними інвесторами поки так ні до чого і не привели.