Термин «вооружение» в современном контексте обоснованно интегрирует в себе понятие «энерговооруженность», важность которого в эпоху «тотальной машинерии» вполне осознали еще в Первую мировую войну, а в последующем, при подготовке и в ходе Второй, транспонировали в лаконичный тезис о современной войне, как о «войне моторов». Актуальность последнего сохраняется и в настоящем, когда человечество, грезя о перспективах перехода к постиндустриальному обществу, столкнулось с информационными, кибернетическими, экономическими, финансовыми и политическими войнами и с методами их современного ведения. Для «боевых действий» такого рода, как легко заметить, обязательным условием является невозможность осуществления какого-либо масштабного открытого силового проникновения на территорию противника – имеют место между странами (блоками, союзами и т.п.), способными сохранить и поддержать посредством высокоразвитого вооружения свой статус «паритет-оппонента». Таким образом, интенсивные действия, долгосрочного характера, предпринимаются и в прилегающих регионах, и в зонах интересов, и среди союзных и дружественных субъектов с учетом нюансов «национального колорита» и политической конъюнктуры, сообразно общей стратегии истощения ресурсов и ослабления «статуса». И в этой связи представляется сомнительным, что научно-техническое развитие раз и навсегда смогло отменить принцип «стенка на стенку», «коктейли Молотова» или танковые дуэли, как бы те не ушли в историю отдельных высокоразвитых стран.
Превосходство в энерговооруженности средств, военных и гражданских, транспортных грузовых или пассажирских, всегда было и будет приоритетным направлением – это «волновало и волнует умы», поскольку, обусловливая скорость и мобильность, создает абсолютное и подчас решающее преимущество во времени, а также позволяет наверстать упущенное и перехватить инициативу при ответных действиях.
Поэтому представилось целесообразным посредством исторического экскурса обратить внимание на объективные критерии и аспекты, обосновывающие выбор для наземного средства газотурбинной энергетической установки.
Следует начать с эпохи авторалли и заездов на рекорды скорости. По прошествии более столетия с начала «погони за жар-птицей» неслыханные в свое время свершения предстают несколько анекдотично: участникам соревнования в 1894 году по маршруту Париж–Руан–Париж предписывалась средняя скорость 16-17 километров в час! Но на следующий год, дерзнув снять ограничение скорости на гонках Париж–Бордо–Париж, «порогом безумия» представлялись 30 километров в час! – Что и озвучил победитель гонок Эмиль Левассор, показав на 1150 километрах дистанции среднюю скорость 24,42 километра в час.
Но, так или иначе, происходящее было бесспорным стимулом «мировой» инженерной мысли: постановка инженерной задачи, поиск решения и обобщение результатов, распространение практического опыта на серийные модели – все послужило развитию автомобильной техники и автомобильной промышленности, способствуя техническому прогрессу. А некоторые имена – зарубежные, увы! – и сейчас на виду и на слуху: заслуженно красуются на логотипах мировых брендов – достойная реклама фирмы (торговой марки) и залог ее прочной репутации. Имена других, чьи достижения явились не менее революционными и новаторскими, повсеместно внедрялись и подхватывались массами, став «классикой», сохранившей актуальность и в настоящем, как-то померкли с течением лет – этих талантливейших инженеров-первопроходцев, пионеров автомобилестроения помнят в очень узком кругу специалистов...
Наземное транспортное средство – сложное, «интегральное» техническое устройство, в котором существует взаимная связь между его характеристиками и характеристикой энергетической установки. В плане долгосрочности и удобства получения механической энергии на борту динамического объекта, «пальма первенства» массово завоевана тепловыми двигателями за более чем два с половиной века их развития [11]. А поршневые двигатели внутреннего сгорания, в первую очередь турбодизели удерживают позиции в этом качестве, несмотря на рыночное продвижение «альтернативных» по поиску ниш и их заполнению [12].
Из истории двигателестроения известно, сохранение доминирующих позиций в условиях ужесточения экологических норм и конкуренции, как между производителями, так и со стороны тепловых двигателей других конструкций, требует постоянной работы по повышению технических параметров, характеристик и показателей, которая начинается еще на этапе термодинамического анализа обратимого цикла [10]. Но технические решения, предлагаемые для поршневых двигателей, имеют высокую сложность и стоимость [8].
Поэтому к тепловым двигателям иных схем обращаются, как правило, когда неоспоримые преимущества «склоняют чашу весов» в их пользу, перевесив или нивелировав существующие недостатки [2].
Общеизвестно, один из первых технических способов преобразования энергии потока – гидроэнергии или энергии ветра – в механическую работу, имеющим тысячелетнюю историю, является выработка механической энергии с помощью гидротурбины – водяной или воздушной (рабочее тело в обоих случаях несжимаемое), что получило теоретические основы расчета и профилирования лишь в середине восемнадцатого века благодаря гению Леонарда Эйлера. Здесь реализуется весьма благоприятная характеристики крутящего момента, принципиальная для свободной силовой турбины, механически связанной с полезной нагрузкой: максимальный крутящий момент при заторможенном положении ротора, а с ростом оборотов турбины момент уменьшается практически линейно. Применительно к двигателю, при данной характеристике отношение максимального крутящего момента к значению на номинальном режиме – коэффициент приспособляемости – оказывается весьма существенным, что благоприятно для наземного транспортного средства.
Развитие паровых машин – поршневых двигателей внешнего сгорания – ознаменовалось их использованием в качестве двигателей транспортных средств. А в стремлении повысить агрегатную мощность и скорость, обратили внимание на паротурбинные установки, которое, по мере их совершенствования, все более усиливалось.
Так, если в конце девятнадцатого века паротурбинные установки на гражданских морских судах (винтовая характеристика) считались неоправданным «расточительством»: конструкции тех лет имели большой расход топлива сообразно развитию технического уровня и состоянию материаловедения, которые не позволяли реализовать высокие температуры цикла и получить паровую турбину высокой эффективности, – то к исходу первого десятилетия двадцатого века ставку на паровые турбины делали не только в военных ведомствах: лучшие коммерческие пассажирские лайнеры стали турбоходами.
Но именно покорение воздуха и господство в нем заставили, как ничто иное, работать инженерную мысль в направлении разработки новых конструкций тепловых двигателей для энергоемких летательных аппаратов, с аэродинамическим принципом подъемной силы.
Тридцатые годы прошлого века стали началом отсчета эпохи турбореактивной авиации: в 1930 году английский инженер-конструктор Фрэнк Уиттл, «отец турбореактивного авиационного двигателя», запатентовал свое детище, а на пять лет позже свой – немецкий инженер-конструктор Ханс-Иоахим Пабст фон Охайн.
Примечательно, немецкий реактивный самолет поднялся в небо почти на два года раньше британского, 27 августа 1939 года (и на год раньше итальянского – в Италии к турбореактивной тяге был свой интерес). Казалось бы, успехи – «на лицо», но... Положение дел в нацистской Германии в общем раскрывают слова Юлиана Семенова: «было все: четкая слаженность звеньев партийного, военного и государственного аппарата, прекрасно поставленная агитация, демагогически отточенная пропаганда, молодежные и женские объединения, физкультурные общества и буффонадные спортивные празднества, красивые парады и отрепетированные народные волеизъявления, все это было. Не было только одного: не было взаимного доверия». В таких условиях, в любой сфере деятельности, первостепенным и первоочередным становилось защитить и выгородить себя любыми средствами: и сбор компромата на оппонентов, и стремление перестраховаться и заручиться мнением высоких покровителей – все это, накаляя нервозность, не способствовало здоровой конкуренции, что не могло не сказаться на ходе и результативности работ. Так и обозначившееся лидерство оказалось весьма непродолжительным: продемонстрированное партийным бонзам Третьего рейха и «руководству авиации» не получило «непосредственного одобрения» и, следовательно, поддержки, что отразилось на финансировании...
Представляется, что успеху британцев способствовало не только превосходство параметров двигателей фирмы Уиттла – последние в техническом плане оказались лучше: в процессе совершенствования двигателя тягу увеличили повышением рабочих температур и оборотов турбомашин. (Приемлемый уровень напряжений обеспечивался благодаря выбору используемого материала и конструктивным мероприятиям, ставшим хрестоматийными: высокотемпературный алюминиевый сплав центробежного компрессора, охлаждение диска турбины [6], [7].) Когда стало очевидным, что накопившиеся задачи по перспективным двигателям не по силам отдельной фирме, даже широко сотрудничающей с другими, а требуют централизованного подхода двигателестроительных гигантов, правительство Великобритании волевым решением национализировало Power Jets Ltd., подняв решение накопившихся проблем на принципиально иной технический уровень.
Вполне закономерно, что, учитывая накопленный опыт, в Великобритании с середины 40-х годов в газотурбинной тематике открыли работы по турбовальным газотурбинным двигателям (со свободной силовой турбиной); изначально разработчики позиционировали двухвальные газотурбинные двигатели в качестве вспомогательных силовых установок или многоцелевых двигателей, что также позволяет применить их на автомобилях [14]. Успеху способствовала «кооперация» с промышленно развитыми странами-союзниками.
Квинтэссенцией сотрудничества Blackburn Aircraft Ltd. (Великобритания) и Turbomeca (Франция) стал полет первого в мире газотурбинного вертолета в 1955 году и начало серийного выпуска модели Aérospatiale Allouette II c газотурбинным двигателем Turboméca Artouste I в следующем. По 1975 год этих многоцелевых вертолетов, получивших высокую оценку, было выпущено, включая – с модификациями двигателя, более 1300 штук [9].
Представляется, что именно технический прорыв по созданию вертолетных двигателей и приобретший систему практический опыт их разработки стали отправной точкой для массового вовлечения в тематику газотурбинных двигателей для наземных транспортно-технологических систем. С середины 50-х, в течение почти двух десятилетий, почти все крупнейшие мировые двигателе- и автомобилестроители, так или иначе, участвовали в работах по созданию автомобильных газотурбинных двигателей (не считая множества отдельных конструкторов-энтузиастов).
Отечественная автомобильная промышленность уделяла весьма серьезное внимание газотурбинным двигателям, но – с некоторым запаздыванием от западных разработчиков.
В 1958 г. газотурбинный двигатель ТурбоНАМИ-053 был установлен (вместо дизеля ЯАЗ-206 мощностью 180 л.с.) на шасси междугородного автобуса ЗИС-127 – это первая отечественная экспериментальная газотурбинная машина, ведущий конструктор М.А. Коссов. Мощность двигателя составила 350 л.с. при 17000 об/мин тяговой турбины, а масса (сухой вес 550 кг) была вдвое меньше, чем у используемого дизеля [13, c. 134].
Двигатель ТурбоНАМИ-053, не имевший теплообменника, являлся первым в стране экспериментальным отечественным автомобильным газотурбинным двигателем. «Этот двигатель не предполагалось развивать в качестве промышленного образца, и его назначение заключалось, в обеспечении возможности изучения автомобильной силовой газотурбинной установки при максимальном приближении к эксплуатационным условиям» [5, c. 286].
Целью работ являлось получение объективной информации при проведении всесторонних ходовых испытаний. Поэтому в салоне автобуса было оставлено только десять сидений, остальное пространство занимали приборы и оборудование. Снаряженная масса автобуса 13000 кг, а полученная максимальная скорость составила 130 км/час [5, с. 287]. Собственно лимитирующим фактором являлись шины, не рассчитанные на такой режим движения. Коробка передач, разработанная на ЗиЛе, имела передаточное число первой передачи 3,27, второй – 1,15, заднего хода – 2,75. Система электровоздушного управления переключала передачи при повороте рукоятки на щитке приборов водителя. Разгон автобуса с места до 50 км/час занимал 14 секунд, а до 100 км/час – 85 секунд.
Общий пробег 15500 км при работе двигателя без демонтажа с автобуса и ремонта в течение 260 час. Двигатель легко запускался при низкой температуре окружающего воздуха. Температура рабочих газов перед турбиной турбокомпрессора на рабочем режиме 850º С (видимо, это – компромиссное решение, поскольку уже были зарубежные разработки со значениями более 900º С). После более суток простоя при температуре -20º С запуск занимал 20-30 секунд. Двигатель работал на любом топливе – автомобильном бензине, керосине, разных сортах дизельного топлива.
Таким образом, в ходе испытаний были непосредственно зафиксированы основные преимущества, в общем характерные для микротурбин автотракторного назначения [1]. Но поскольку данный двигатель изначально не проектировался как собственно автомобильный, то было указано на неприемлемо высокий – авиационный – уровень расхода топлива, на присутствие высокочастотных составляющих в шуме всасывания воздуха компрессором.
Видимо, опыт «шведской модели»: в придерживающейся нейтралитета, высокоразвитой, со стабильным экономическим приростом, но имеющей сложные климатические и рельефные условия Швеции в 1966 году на вооружение стали принимать основные боевые танки, оснащенные комбинированными силовыми установками с газотурбинными двигателями – не могли принять во внимание. – По вопросу повышения энерговооруженности бронетанковых единиц, а также улучшения боевых и эксплуатационных характеристик в июле 1967 года было проведено совещание у секретаря ЦК партии Д.Ф. Устинова и принято решение о разработке газотурбинной силовой установки для танка Т-64. Концепция отразилась в совместном постановлении руководящих органов страны от 16 апреля 1968 года о проведении опытно-конструкторских работ по газотурбинному двигателю мощностью 1000 л.с. [3]. Как обсуждалось, на вооружение страны впоследствии должна быть принята только одна разработанная модель газотурбинного танка и начат ее выпуск.
В 1970 году под руководством главного конструктора Николая Сергеевича Попова в КБ-3 Кировского завода на основе газотурбинного варианта танка Т-64А с двигателем ГТД-1000Т, разработанным ЛНПО имени В.Я. Климова, был выполнен в металле опытный «объект 219» [4]. По завершении необходимых этапов разработки, 6 августа 1976 года он был принят на вооружение под индексом Т-80 – это первый в мире серийный танк с газотурбинным двигателем (трехвальная схема без регенерации), неотъемлемым гарантом общепризнанных, высоких динамических качеств машины.
Рисунок 1 – Регенеративный автомобильный газотурбинный двигатель на испытательном стенде в лабораторном боксе Московского Политеха.
Несколько позже приступили к газотурбинной тематике на таких гигантах страны, как Ярославский моторный завод и Горьковский автомобильный завод. На Горьковском автозаводе специальное конструкторское бюро под руководством Вениамина Михайловича Костюкова активно занималось (до середины 90-х годов) разработкой автомобильных газотурбинных двигателей (рис. 1). В созданных по двухвальной схеме образцах газотурбинных двигателей семейства ГАЗ, мощностью от 380 до 600 л.с., чтобы обеспечить расход топлива на уровне характеристик автотракторных двигателей, использовались регулируемый сопловой аппарат тяговой турбины и дисковые регенераторы (или регенератор).
По настоящее время образцы этого семейства автомобильных газотурбинных двигателей остаются непревзойденными отечественными разработками, представляя собой базу для дальнейшего продвижения работ по данному направлению.