Авиация и космонавтика 2011 10

Анализ различных схем двигателей, проведенный мотористами совместно с самолетчиками, показал, что для ударной машины при этих условиях наивыгоднейшим будет одноконтурный одновальный ТРДФ с высоконапорным регулируемым компрессором. Популярная в отечественном двигателестроении схема высоконапорного двигателя с двухкаскадным устройством компрессора, включавшего ступени низкого и высокого давления, была сочтена менее эффективной. Такая конструкция отличалась независимостью работы каскадов низкого и высокого давления, кинематически не связанных между собой и приводимых в движение от соответствующих ступеней турбины низкого и высокого давления, для чего имела два соосных вала. По этой причине иногда даже говорили о наличии у двухкаскадного двигателя двух компрессоров и двух турбин (как с точки зрения "механики" оно и было). Взаимная работа ступеней компрессора достигалась "саморегулированием" за счет их газодинамической связи. Двухконтурная схема выглядела относительно простой и была хорошо отработана, обеспечивая удовлетворительные запасы устойчивости при сжатии воздуха в осевом компрессоре, однако конструкторам ОКБ А.М. Люльки более перспективным представлялось устройство с непосредственным регулированием компрессора сообразно режиму и внешним условиям работы двигателя. Такое решение было более сложным в реализации, но управление процессом в напорной части сулило повышение коэффициента полезного действия, улучшение данных по тяге и экономичности и расширение диапазона устойчивой работы двигателя (двухвальная схема все же страдала склонностью к неустойчивости на переходных режимах, что сказывалось на приемистости при необходимости быстрой смены оборотов, включении и выключении форсажа и пр.) В конечном счете, успех зависел не только от выбора "правильной" схемы, но, прежде всего, — от тщательности проработки конструктивных решений и отработанности самого изделия на этапе его доводки.

Летчикиспытатель ОКБ Е.С. Соловьев

Новшеством стала высокоразвитая механизация компрессора с поворотными лопатками направляющих аппаратов первых и последних ступеней. Лопатки поворачивались гидравликой автоматически, соответственно программе, с учетом условий полета и оборотов двигателя. Управление направляющими аппаратами за счет рационального изменения углов набегания воздушного потока на рабочие лопатки обеспечивало устойчивую и экономичную работу двигателя в широком диапазоне режимов полета. В результате дальнейших работ для нового "сердца" была выбрана схема с 13-ступенчатым осевым компрессором, регулируемым с помощью семи поворотных направляющих аппаратов. В конструкции потребовалось широко применить титановые и новые жаропрочные сплавы, внедрив также такое новшество, как консольные лопатки с 8-й по 12-ю ступеней компрессора. Приводы моторных и самолетных агрегатов объединялись в один общий редуктор, количество и протяженность различных трубопроводов и коммуникаций на двигателе были сокращены. Жесткие требования по весу ТРДФ потребовали создания максимально облегченных агрегатов, с этой же целью в первом варианте двигателя для его запуска предусматривалось применить воздушно-пороховой стартер. Такое решение, предложенное по образу и подобию использовавшегося в некоторых зарубежных двигателях (в том числе и гражданского назначения), считалось перспективным и эффективным, позволяя обойтись без отдельного агрегата запуска, обычно электрического или воздушного со внешним источником, со своим сложным механизмом раскрутки ротора двигателя. Пиростартер обеспечивал запуск за счет подачи на турбину газов от специальной пороховой шашки, которые выступали в роли заменителя "штатного" газового потока на время запуска, раскручивая ротор до выхода на режим. Устройство привлекало простотой и нетребовательностью в подготовке, требуя лишь снаряжения агрегата сменной пороховой шашкой.

Рабочее проектирование нового двигателя было закончено зимой 1966 года, а первые экземпляры ТРДФ АЛ-21 Ф были собраны в сентябре того же года. 17 сентября 1966 года опытный двигатель подал свой "голос". Снятые при первых испытаниях характеристики оказались выше расчетных, а заложенные в конструкцию резервы открывали перспективу доводки двигателя на значительно лучшие параметры его работы на основном бесфорсажном режиме. Уже в 1967 году конструкторы отказались от воздушно-порохового стартера как неудовлетворительным образом сказывающегося на ресурсных характеристиках и эксплуатационных качествах. Кажущиеся простота и удобство, как это бывает, сопровождались чересчур весомыми недостатками — раскрутка ротора двигателя от порохового стартера производилась за счет подачи на турбину продуктов горения пороховой шашки, горячих и едких газов, что вело к повышенному температурному и коррозионному износу лопаток и других узлов, тем более пагубному, что агрегаты не успевали прогреться и запуск сопровождался настоящим термическим ударом для деталей и конструкционных материалов. К тому же в узлах и проточной части образовывался нагар, требовавший чистки (к аналогичному выводу пришли и за рубежом, отказавшись от модного одно время решения). Взамен перешли на "классический" турбокомпрессорный стартер ТС-21, являвшийся улучшенной модификацией серийного ТС-20, созданного в ОКБ еще в 1953–1955 годах и устанавливавшегося в нескольких модификациях на двигатель АЛ-7Ф-1. Одним из основных отличий нового агрегата стало то, что в качестве пускового топлива он использовал керосин из топливной системы самолета, а не бензин Б-70, как предшественник ТС-20, для которого требовался отдельный бачок с горючим.

Доводка двигателя на заданный сточасовой ресурс от начала проектирования до проведения чистовых испытаний заняла 4,5 года вместо трех по плану. Причинами такой задержки стали как устранение выявлявшихся при испытаниях дефектов, так и то, что серийные заводы не были подключены к этим работам в связи со срочными работами по доводке и серии других изделий. Первый АЛ-21 Ф на Омском моторостроительном заводе (ОМЗ) им. П.И. Баранова был собран только в ноябре 1970 года. Двигатели этого типа начали выпускать также на московском "Салюте.

Пока шли работы над новым двигателем, из Вьетнама в ОКБ А. М. Люльки в хорошем состоянии был доставлен "трофейный" двигатель Дженерал Электрик J79-GE со сбитого американского истребителя F-4 "Фантом II". Изучение двигателя показало его хорошую технологическую отработку, качественное изготовление и сборку. Интерес представляла как сама конструкция двигателя, так и некоторые его агрегаты, удачно скомпонованные и тщательно отработанные. Ряд технических решений, "подсмотренных" у заокеанских "коллег", был принят и внедрен в ходе доводки нашего двигателя. Так, замена первой ступени компрессора позволила форсировать ТРДФ по тяге, были разработаны более производительные топливные и форсажные насосы, а для предупреждения помпажа компрессора и автоколебаний лопаток "нулевой" ступени при стрельбе ракетами двигатель оборудовали системой упреждения поворота направляющих аппаратов. Система обеспечивала устойчивую работу компрессора при скачках температуры потока на входе. В своей работе она использовала развитую систему механизации компрессора с управлением его всережимными поворотными ступенями и всережимными створками регулируемого сопла и работала по командам, поступающим от блока предупреждения срыва. Если все же возникала угроза помпажа, о чем свидетельствовал рост температуры газов, система глушила его возникновение, на доли секунды прекращая подачу топлива, переводя поворотные лопатки в безопасное по срыву положение и, затем, автоматически вновь выводя двигатель на режим.

Очередным этапом в создании АЛ-21 Ф стало требование об увеличении тяги двигателя без существенных изменений его габаритов, а только за счет повышения параметров самого двигателя. Рост аппетитов заказчика имел свое обоснование: нетрудно заметить, что по первоначальному заданию для нового двигателя достаточной считалась тяга даже меньшая, чем у предшественника АЛ-7Ф-1. Просчета здесь не было — двигатель поначалу предназначался для использования в "спарке" силовой установки будущего Су-24, обеспечивавшей достаточные характеристики. На одномоторных машинах ощутимой была недостаточность тяги нового двигателя, что и повлекло требования "добавить газку". Эта инициатива исходила прежде всего от микояновцев, рассматривавших АЛ-21 Ф в качестве резервной силовой установки для своего истребителя МиГ-23. В конечном счете, микояновское ОКБ остановилось на более привычном для него изделии двигателистов С.К. Туманского, однако вышло так, что запросы микояновцев сыграли в пользу конкурентной фирмы — наработки по теме АЛ-21Ф нашли самое конструктивное применение у суховцев. К этому времени мотористы ОКБ А.М. Люльки уже заканчивали проектирование и изготовление улучшенного АЛ-21 Ф-2. Но и он не позволял достичь требуемых характеристик. В связи с этим работы по нему были вскоре прекращены и с середины 1969 года на чертежных досках конструкторов стали прорисовываться контуры более перспективного АЛ-21 Ф-3.