Изо всех лошадиных сил

Ирик Имамутдинов, Авдей Кирпичников

В 1765 году англичанин Джеймс Уатт изобрел паровую машину, положив начало длинной цепочке инноваций в двигателестроении. В 1860 году французский механик Этьен Ленуар разрабатывает первый поршневой двигатель внутреннего сгорания. В 1889 году швед Карл Густав Патрик Лаваль, совершенствуя молочный сепаратор, приходит к идее паровой турбины. Грезы Константина Циолковского о межпланетных полетах в начале нашего века стимулируют создание жидкостно-реактивного двигателя. Все эти изобретения, значительно усовершенствованные, в той или иной степени определяют сегодняшний технологический ландшафт человеческой цивилизации.

Поршневые, газотурбинные и жидкостно-реактивные двигатели производят более 60% всей вырабатываемой человечеством энергии. Несмотря на многочисленные альтернативные варианты вроде атомных реакторов, топливных элементов, солнечных батарей и проч., львиная доля полезной работы производится установками, в основе которых лежат идеи столетней давности. Производители двигателей в целом скептически относятся к возможности радикально изменить технологии. Поэтому, когда в редакцию пришел очередной изобретатель, уверявший, что он совершил революцию в мировом двигателестроении, нам ничего не оставалось, как прятать иронические улыбки. Впрочем, когда выяснилось, что новой разработкой интересуются такие серьезные компании, как «Даймлер-Крайслер», «Ман» и некоторые российские инвесторы из высшей лиги среднего бизнеса, мы решили провести экспертный опрос на предмет целесообразности инвестиций в доводку этого изобретения до серийного выпуска. Оказалось, что «очередной изобретатель» не сумасшедший и даже не мечтатель. Бывший вэпэкашный инженер Михаил Кузнецов разработал установку «Перун», которая на языке специалистов называется объемно-струйным двигателем (ДОС). Предлагаемая им инновация, объединившая существенные черты своих двигателей-предшественников – поршневого внутреннего сгорания, газотурбинного и жидкостно-реактивного, вполне закономерный шаг в ходе развития двигателестроения (cм. также «Двигатель работает» книги «Грюндеры и грюндерство», гл. 16).

От машины до ракеты

Пока поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) остаются самым распространенным классом тепловых машин. За год в мире их выпускают более 40 млн. Они используются в большинстве транспортных средств и реже – в энергоустановках. Интересно, что все основные детали, из которых этот двигатель состоит – цилиндр, поршень, свечи зажигания, существовали уже в ленуаровском варианте. Конечно, современный поршневой ДВС с эффективным КПД, достигающим в дизельных моторах 50%, существенно отличается от своего прародителя, который жег 95% топлива вхолостую, но в целом принцип работы остался тем же.

Преимущество поршневых ДВС в том, что они обеспечивают большой крутящий момент при различных скоростях вращения мотора и различных режимах съема с него мощности. Но у этих установок низкий показатель выхода мощности на единицу веса – 0,8 кг/кВт, относительно низкий эффективный КПД – около 30%, а удельный эффективный расход топлива составляет в среднем около 250 г/кВт·ч. Несмотря на все ухищрения конструкторов, эти двигатели остаются одними из основных загрязнителей окружающей среды: топливо полностью в цилиндре не сгорает, и этот недостаток не ликвидируется ни за счет компьютерного управления созданием и впрыском топливной смеси, ни за счет дожигания выхлопных газов.

Еще один распространенный тип ДВС – газотурбинные двигатели (ГТД). Струя пара или продуктов горения топлива истекает из сопла на лопасти турбины, вызывая ее вращение; КПД таких двигателей достигает 90%. Однако значительную часть (до 60%) вырабатываемой механической энергии приходится расходовать на привод компрессора, который сжимает поток воздуха, поступающего в камеру сгорания для ее же охлаждения и для увеличения полноты сгорания топлива. К примеру, автомобильный ГТД «Ровер» развивает около 265 кВт мощности, а ее эффективная составляющая в три раза меньше – около 90 кВт. Высок в таких двигателях и удельный эффективный расход топлива: 300...400 г/кВт·ч. К тому же, чем меньше турбина, тем она оборотистее, а значит, нужна более громоздкая система редукторов. Так, в двигателе мощностью 40 кВт турбина раскручивается со скоростью 60 тыс. оборотов в минуту. Соответственно, изготовление ГТД экономически невыгодно, если его мощность составляет менее 110 кВт. Это ограничивает область применения ГТД, и они крайне редко используются в качестве, например, автомобильных моторов. С другой стороны, они незаменимы в стационарной энергетике и авиации, где необходимо производство таких мощностей, получение которых на поршневых силовых устройствах было бы экономически нецелесообразным.

Если считать КПД главным критерием определения эффективности двигателей, то дальше создания жидкостных реактивных двигателях (ЖРД) идти было уже некуда. Топливо сгорает в камере полностью при температурах в тысячи градусов. Это обеспечивает максимальный КПД при самом чистом выхлопе рабочего тела, создающего реактивную тягу. Но по ряду причин – высокая температура выхлопных газов, крайне низкий ресурс самого двигателя и, главное, экономическая нецелесообразность использования при небольших мощностях – сфера их применения ограничивается ракетно-космической техникой.

«Перун» бросает вызов

Справедливости ради стоит отметить, что первая попытка улучшить характеристики двигателя внутреннего сгорания за счет кардинального изменения одного из основных элементов – поршня – была предпринята задолго до изобретения Кузнецова. Феликс Ванкель еще в 1936 году получил патент на роторную силовую установку (первый автомобиль с таким мотором сошел с конвейера в 1963 году), в которой уже не было возвратно-поступательного движения поршня. Его мощность оказывалась равной мощности поршневого мотора с вдвое большим рабочим объемом. Возможность создания мощного, но легкого и малогабаритного двигателя вызвала огромный интерес со стороны автомобилестроителей, десятками стоявших в очереди за покупкой лицензии на его производство (кстати, одним из последних отметился там и ВАЗ). Но конструкторы, по большому счету, так и не смогли уменьшить удельный расход топлива, а ресурс работы двигателя оставался крайне низким, поэтому большого распространения он не получил.

После этого были попытки (в середине 50-х их предприняли американские инженеры, а в 70-х – японские) разработать принципиальную схему сферической роторной машины (СРМ), совмещавшей принципы работы поршневого и газотурбинного двигателей. Но особым успехом они не увенчались.

Вскоре после августа 1998 года потерявший работу Михаил Кузнецов решил заняться воплощением идеи, почерпнутой им из публикации в журнале «Техника – молодежи» 35-летней давности. Именно там тогдашний студент авиационного техникума впервые увидел схему объемной сферической роторной машины. В марте 1999 года изобретение было зарегистрировано Российским агентством по патентам и товарным знакам, а московский Международный институт промышленной собственности оценил интеллектуальную собственность Кузнецова в 5,64 млн долларов.

Кузнецов нашел простое и красивое решение: вынес камеру сгорания, работающую по принципу ЖРД, за пределы СРМ. Это значительно повышало ресурс работы двигателя. Профессор МАИ, заведующий кафедрой теории авиационных двигателей Валентин Рыбаков видит в этом одно из главных преимуществ нового устройства: «Отдельная камера сгорания позволяет использовать все преимущества жидкостно-реактивных и газотурбинных двигателей». Можно достичь высоких – до 2900 градусов по Цельсию – температур рабочего тела, при этом топливо будет выгорать полностью. К тому же, по мнению профессора, «такое решение даст возможность совершенствовать камеру сгорания отдельно от других составляющих двигателя, что, безусловно, важно, когда проект начнет реализовываться практически».

Роторный узел образует в полости корпуса СРМ два расширительных контура. Каждый из них состоит из двух камер переменного объема. За один оборот все они совершают полный рабочий цикл (сжатие и расширение). Смена рабочих циклов происходит автоматически за счет перекрытия впускных и выпускных каналов ротора.

При использовании в двигателе одной СРМ один контур работает в качестве двигателя, а камеры второго контура – в качестве компрессора, задача которого подавать сжатый воздух в камеру сгорания. Еще одна изюминка изобретения Кузнецова состоит в том, что возможны варианты, в которых можно использовать одновременно несколько роторных машин в одном двигателе. Простое увеличение их числа позволит управлять «литровой мощностью» всей установки. Скажем, в самолете все силовые компоненты двигателя будут включаться при взлете, а при крейсерском режиме часть из них можно вывести в режим ожидания. Это существенно увеличивает надежность и ресурс двигательной установки в целом, что особенно важно в авиации.

Профессор Технического университета имени Баумана, заведующий кафедрой поршневых и комбинированных двигательных установок Николай Иващенко отмечает, что «Перун» особенно привлекателен для малой авиации. Сотрудники его кафедры провели расчет математической модели двигателя, который подтвердил его работоспособность. Бауманские двигателисты доказали, что «Перун» обладает низким удельным весом на единицу эффективной мощности и, соответственно, небольшими габаритами. Кстати, по расчетам специалистов, если такой двигатель поместить в объемы существующего моторного отсека современного танка, то его мощность увеличится в пять раз – с 2 тыс. до 10 тыс. кВт.

Валентин Рыбаков отметил, что роторная машина в двигателе Кузнецова при сопоставимых с газотурбинными устройствами мощностях совершает значительно меньшее число оборотов (40-киловаттный ГТД вращается со скоростью 60 тыс. оборотов в минуту, а СРМ достигает той же мощности при 12 тыс. оборотов в минуту), что упрощает редукционный механизм. Профессионалы особо подчеркивают следующие преимущества изобретения: отсутствие возвратного механизма, высокий механический КПД и возможность использования установки в качестве компрессора или гидронасоса.

Естественно, не все технические проблемы решены: велики потери при перетекании продуктов сжигания топлива из камеры в камеру, дорого обходится необходимость точнейшей обработки деталей СРМ, прочность конструкции ротора при высоких оборотах вызывает сомнения. Но, как говорит Николай Иващенко, «слишком много вопросов – характерная черта всего нового». А Валентин Рыбаков уверен, что технические вопросы можно было бы решить, если бы дело дошло до стендовых испытаний хотя бы одного опытного образца. С этим как раз и случилась загвоздка. Во-первых, внедрение инновации такого уровня требует больших инвестиций и времени. Сам Кузнецов утверждает, что для доведения его проекта до ума понадобится семь-десять лет и не менее 100...200 млн долларов. Первый этап – проектный – может занять полтора года и стоить около 100 тыс. долларов. Следующий шаг – производство нескольких работающих образцов – займет не менее года. Их испытания должны внести коррективы в расчеты конструкторов и, соответственно, стать основой для дальнейшего производства. Обойдется это не менее чем в миллион долларов. Затем, если двигатель действительно покажет хорошие характеристики, последуют затраты другого порядка – на вывод продукта в серийное производство.

А во-вторых, «Перун» бросает серьезный вызов традиционному двигателестроению. Авиационные, автомобильные и энергостроительные концерны потратили уже немало денег на доводку старых идей, для них это слишком радикальный способ повысить конкурентоспособность своей продукции. Может быть, поэтому переговоры с потенциальными инвесторами пока так ни к чему и не привели.