Двигатели Н.Д. Кузнецова – эпоха в авиации

В июне 2011 г. исполняется 100 лет со дня рождения Николая Дмитриевича Кузнецова, академика РАН, дважды Героя Социалистического труда, лауреата Ленинской премии, участника Великой Отечественной войны, генерала-лейтенанта – инженера, доктора технических наук, генерального конструктора, депутата Верховного Совета РСФСР и члена президиума    этого Совета. Предлагаемая статья посвящена жизни и деятельности выдающегося конструктора – создателя авиационных и ракетных двигателей и наземных газотурбинных установок.

Будущий авиаконструктор Николай Дмитриевич Кузнецов родился в г. Актюбинске, через некоторое время семья переехала в подмосковную деревню Лопасня, где жил дед. После окончания школы Николай Дмитриевич поступил в Московский авиационный техникум, так как рано увлекся авиацией.

Учась в техникуме, он начал работать слесарем на заводе №24 (в настоящее время ФГУП ММПП «Салют»). После окончания 3-го курса в 1933г. Кузнецова направили в Академию им. Н.Е. Жуковского, которую он окончил с отличием в 1938г. и был оставлен на преподавательскую работу. Работая, он в январе 1941 г. защитил кандидатскую диссертацию. С началом Великой Отечественной войны академия была эвакуирована в г.Свердловск, но Кузнецов постоянно писал рапорты с просьбой направить его на фронт.

В 1942г. Н.Д.Кузнецова направили на фронт старшим инженером дивизии. Через несколько месяцев его неожиданно отозвали с фронта и направили парторгом ЦК ВКП(б) в г.Уфу на моторостроительный завод №26 в ОКБ, которым руководил В.Я.Климов.

Присмотревшись к парторгу, который давал хорошие технические советы и предложения, Климов обратился в ЦК с просьбой назначить Н.Д.Кузнецова первым заместителем главного конструктора, что и было выполнено. В 1946г. принимается решение об организации в г.Ленинграде ОКБ и о назначении главным конструктором В.Я.Климова (ныне ОАО «Климов»).

Уезжая из Уфы, Климов порекомендовал главным конструктором назначить Н.Д.Кузнецова. Так в 1946г. Кузнецов, став главным конструктором, начал активно работать над освоением новой реактивной техники. В мае 1949г. Н.Д.Кузнецова переводят главным конструктором на опытный завод №2 в г.Куйбышев, где он проработал 45 лет, до 1994 г.  (ранние наименования: опытный завод №2, завод №276, Куйбышевский моторный завод, Куйбышевское научно-производственное объединение «Труд», «СНТК им. Н.Д.Кузнецова»). В 1956г. после разработки проекта двигателя НК-12 и освоения его в серийном производстве и эксплуатации Н.Д.Кузнецов стал генеральным конструктором. Под его руководством предприятие превратилось в одну из ведущих авиадвигательных фирм СССР и СНГ, создав более 50 оригинальных и модифицированных газотурбинных двигателей для самолетов различного назначения и экранопланов, жидкостно-ракетных двигателей для космических комплексов, а также двигателей для привода нагнетателей газоперекачивающих агрегатов и электрогенераторов.

Большинство созданных Н.Д.Кузнецовым двигателей отмечены характеристиками «впервые в мире» или «впервые в СССР»:

- первый в СССР и самый мощный в мире турбовинтовой двигатель;
- первый в СССР и самый мощный в мире двухконтурный двигатель с форсажной камерой для сверхзвуковых самолетов;
- первый в мире ЖРД большой тяги, созданный по замкнутой схеме;
- первый в СССР трехвальный двухконтурный двигатель для сверхзвукового бомбардировщика;
- первые в мире двигатели, использующие в качестве топлива жидкий водород и сжиженный природный газ;
- первые в СССР литые рабочие лопатки турбины, без которых невозможно создание современных ГТД и др.

Многогранность Николая Дмитриевича в его работе как генерального конструктора была просто потрясающей. Вот простое перечисление основных направлений, которыми он занимался лично:

- авиационные газотурбинные двигатели;
- авиационные атомные двигатели и реакторы;
-жидкостно-ракетные двигатели;
- лазерные установки на основе авиационных ГТД и ЖРД;
- авиационные двигатели на криогенном топливе;
- газотурбинные двигатели для экранопланов;
- наземные газотурбинные двигатели для привода нагнетателей газоперекачивающих агрегатов и электрогенераторов.

Ни в отечественной, ни в зарубежной практике двигателестроения нет ни одного руководителя-конструктора, который бы пытался охватить такой объем работ. При этом, начиная заниматься новым делом, Николай Дмитриевич всегда глубоко вникал в самую суть поставленной задачи, направления. Благодаря своим способностям, глубокому аналитическому уму, феноменальной работоспособности, Николай Дмитриевич быстро схватывал основную идею нового направления, обобщая с накопленным опытом и знаниями по другим направлениям, которыми он уже занимался, находил общие точки соприкосновения нового с известными направлениями, выявляя преемственность  и определяя рациональные и оптимальные пути решения новых задач.

Разрабатывая новые  направления в развитии газотурбинных и ракетных двигателей различного назначения, Н.Д.Кузнецов создал свою школу конструирования и создания этих двигателей, характерной отличительной особенностью которой является:

- выбор параметров нового поколения двигателя и их характеристик по предельным данным;
- глубокое изучение и овладение процессами, протекающими в узлах, системах и агрегатах двигателя и внедрение новых методик расчетов и конструирования;
- разработка и внедрение новых передовых технологических методов изготовления узлов и деталей, способствующих повышению коэффициента использования материала, снижению трудоемкости и повышению надежности и ресурса. Особое внимание устранению вредной технологической наследственности, возникающей при обработке деталей;
- внедрение передовых перспективных материалов и сплавов, способствующих повышению конструкционной прочности и выносливости деталей и узлов;
- внедрение термобарьерных и других покрытий, увеличивающих выносливость деталей и многое другое.

Н.Д.Кузнецов принимал решения на базе научных разработок, глубокой научной проработки, используя комплекс имеющихся различных установок и научные достижения по каждому вопросу. Он был генератором идей, большинство из которых сам и выдвигал.

В личности Н.Д.Кузнецова, дополняя друг друга, в высшей степени удачно сочетались разносторонние качества ученого, конструктора, технолога, металлурга и инженера-практика. Будучи исключительно скромным человеком, Н.Д.Кузнецов никогда и нигде не упоминал о своих предложениях, теоретических разработках, относя достижения руководимого им предприятия – ОКБ к заслугам всего коллектива.

Поэтому многое в развитии отечественного авиамоторостроения осталось как бы безымянным, разработанным либо в научных институтах, либо авторами, написавшими книги или статьи.

Хотелось бы перечислить, что именно впервые было разработано либо самим Николаем Дмитриевичем, либо по его идеям и под его руководством.

Конец 40-х годов и 1950-1951 годы. Все зарубежные и отечественные авиадвигательные ОКБ занимаются разработкой реактивных газотурбинных двигателей (ГТД). В 1950г. Николай Дмитриевич предложил разработать для стратегической авиации турбовинтовой двигатель (ТВД) с низким удельным расходом топлива на взлетном режиме 225-230 г/л.с.ч., вместо поршневых двигателей, лучшие из которых имели в этих условиях 290 г/л.с.ч. Это предложение не было встречено пониманием ни со стороны научно-исследовательских институтов, ни со стороны главных конструкторов-разработчиков авиадвигателей и самолетов. ОКБ под руководством Николая Дмитриевича хорошо поработало по разработке ТВД.

Эта работа позволила Николаю Дмитриевичу с коллективом ОКБ разработать и предложить самолетчикам турбовинтовой двигатель с невиданно низким удельным расходом топлива для полета на дальность без посадки и заправки топливом до 15 тыс.км - 0,168 кг/л.с.ч. (на крейсерском режиме).

На базе этих разработок был создан уникальный непревзойденный до настоящего времени турбовинтовой двигатель НК-12 первоначальной мощностью 12000 л.с., который серийно выпускается уже более 50 лет в разных модификациях. При этом мощность была увеличена до 15000 л.с. В других странах подобный двигатель так и не был создан.

В 1957 г. коллективом был создан ТВД НК-4 мощностью 4000 л.с. для самолетов Ил-18 и Ан-10. Он серийно выпускался до 1959г., а и был снят с производства, чтобы освободить завод №24 им. М.В.Фрунзе для освоения ракетных двигателей для ракетоносителей «Восток», «Восход», «Союз».

В создании турбовинтовых двигателей участвовали:

А.А. Овчаров – заместитель главного конструктора, в дальнейшем главный конструктор и первый заместитель генерального конструктора;
Е.М. Семенов – заместитель главного конструктора, под его руководством в дальнейшем были созданы двигатели: НК-22, НК-144А и НК-32;
М.Р. Флиский – первый заместитель главного конструктора, в дальнейшем главный конструктор Куйбышевского КБ машиностроения, под его руководством был создан двигатель НК-12МА для самолета Ан-22;
В.С. Анисимов – ведущий конструктор, в дальнейшем главный конструктор;
А.Г. Махнев – заместитель начальника ОКБ, в дальнейшем заместитель главного конструктора и главный конструктор Калужского моторного завода;
А.А. Мухин – начальник ОКБ, в дальнейшем главный конструктор Казанского ПБ машиностроения;
Г.А. Асеев – ведущий конструктор, в дальнейшем заместитель главного конструктора Калужского моторного завода.

Н.Д. Кузнецов был очень глубоким и разносторонним ученым и конструктором, не замыкавшимся в рамках авиадвигателестроения. Он также внимательно изучал развитие самолетостроения. Уже в 1953 г., т.е. в период завершения работ по турбовинтовому двигателю НК-12, Николай Дмитриевич пришел к выводу, что в недалеком будущем стратегическая авиация будет стремиться к полетам на сверхзвуковых скоростях. Это значит, что турбовинтовые двигатели, которые из-за резкого уменьшения КПД винтов при приближении скорости полета к скорости звука, не смогут удовлетворять требованиям, предъявляемым к стратегическим самолетам будущего. Как быть? Идея пришла довольно быстро – вместо воздушного винта установить вентилятор в оболочке.

С начала 1953 г. при непосредственном участии Николая Дмитриевича и под его руководством группа инженеров ОКБ начала разрабатывать теорию двухконтурных двигателей и принципы его конструирования. Работа была начата впервые в мире. Эту идею и первые разработки Николай Дмитриевич вынес на обсуждение на НТС Министерства авиационной промышленности А.Н.Туполев, который уже полностью понял и доверял Николаю Дмитриевичу, поддержал идею двухконтурных двигателей. Но еще долго после этого длилось сопротивление и НИИ, и ответственных работников Министерства и даже самолетчиков. Правда, ведущие двигателисты – А.А.Микулин, А.Д. Швецов поддержали Николая Дмитриевича и также начали разрабатывать подобные двигатели.

При разработке двухконтурных двигателей для сверхзвуковых полетов Николаем Дмитриевичем было предложено, кроме двухконтурности, осуществить форсирование двигателя для перехода через скорость звука и при сверхзвуковом полете самолета. Под его руководством была разработана теория такого двухконтурного двигателя с форсажом. Был создан первый в мировой практике двухконтурный с форсажом двигатель НК-6 с тягой 17 тонн, первые запуски которого начались в 1956г. Подобные двигатели в США появились только через 15 лет. В 70-80-х годах на базе этих работ были созданы двигатели НК-22 для самолета Ту-22М, НК-144А для Ту-144, НК-25 для Ту-22МЗ и НК-32 для Ту-160. Заслуги Н.Д. Кузнецова в принятии на вооружение самолета Ту-160 отмечены присвоением одному из этих самолетов имени «Николай Кузнецов».

В создании двигателя НК-6 кроме специалистов, указанных выше, принимали участие Николай Демидович Печенкин – начальник отдела регулирования, в дальнейшем заместитель главного конструктора по ЖРД, Валентин Матвеевич Непопалов – ведущий инженер, в дальнейшем заместитель главного конструктора (в Уфе, где изготавливались основные узлы) и главный инженер Тюменского моторостроительного завода.

В создании двигателей НК-22, НК-144А, НК-25, НК-32 принимали участие:

Е.М. Семенов – заместитель главного конструктора,
А.А. Овчаров – главный конструктор,
В.С. Анисимов – главный конструктор,
Н.Г. Трофимов – главный конструктор,
Е.А. Кузьмин – ведущий конструктор,
А.И.Лоцман – ведущий конструктор,
В.Д. Радченко – начальник ОКБ,
Е.А. Гриценко – ведущий конструктор, в дальнейшем заместитель главного конструктора, главный конструктор Казанского ПБ машиностроения, генеральный конструктор ОАО «Самарский НТК им.Н.Д.Кузнецова»,
В.Н. Овчинников – ведущий конструктор, в дальнейшем заместитель главного конструктора, главный конструктор ККБМ,
И.А. Елизаров – заместитель главного конструктора, главный конструктор ОАО «Моторостроитель»,
В.С. Матвеичев – ведущий конструктор, в дальнейшем начальник ОКБ.

Замкнутая система ЖРД была известна еще в середине 50-х годов, т.е. еще до того, как Н.Д.Кузнецов по предложению С.П.Королева занялся разработкой ракетных двигателей. Но она была известна только как схема, серьезных работ по этой схеме не было. Основной разработчик ЖРД в СССР академик В.И. Глушко  в 1958г. заявил, что замкнутая система – это еще «кот в мешке», она недостаточно разработана и нужно большое время для того, чтобы начать создание ЖРД по замкнутой схеме. Аналогичного мнения придерживались и ракетчики в США, которые только в 70-е годы  стали создавать двигатели по замкнутой схеме.

Начав заниматься ЖРД в 1959 г., Николай Дмитриевич изучил состояние работ по открытой и замкнутой схемам. Нужно отметить, что С.П. Королев, для ракет которого создавались двигатели, полностью поддержал Н.Д. Кузнецова.

Двигатели НК-33, 43, 31 и 39 с тягой 150, 180, 40 и 40 соответственно, созданные для 1, 2, 3 и 4 ступеней ракетного комплекса Н-1, подтвердили правильность выбора коротко замкнутой схемы. Они и в настоящее время не потеряли своей актуальности, поэтому их решено применить на ракетоносителе «Тауэрс-2» в США и на модернизированных ракетоносителях «Союз», разрабатываемых «ЦСКБ–Прогресс».

В создании ЖРД принимали активное участие:

Н.Д. Печенкин  – заместитель главного конструктора;
В.Н. Орлов – начальник ОКБ, в дальнейшем главный конструктор;
Н.Д. Дондуков – главный конструктор, позже заместитель министра АП;
А.А. Танаев – заместитель главного конструктора по эксплуатации;
В.С. Анисимов – ведущий конструктор, в дальнейшем главный конструктор;
Н.Г. Трофимов – заместитель главного конструктора, в дальнейшем главный конструктор Куйбышевского КБ машиностроения (ККБМ);
Н.И. Степанов – ведущий конструктор, позже начальник ОКБ в ККБМ;
М.Н. Карпилов – ведущий конструктор;
И.С. Синотин – ведущий конструктор;
В.И. Черкасов  – ведущий конструктор;
В.П. Данильченко – начальник бригады, в дальнейшем главный конструктор и многие другие специалисты.

Николай Дмитриевич в начале   60-х годов предложил решить проблему  большой неравномерности температуры на выходе из камеры сгорания переходом с обычных 12-24 топливных форсунок на 130-140 мелких форсунок, как принято на камерах сгорания ЖРД. Это была коренная ломка теоретических и конструкторских принципов создания камер сгорания ГТД. Данная идея реализована на всех двигателях «НК», начиная с НК-8.

Американские авиационные конструкторские бюро к идее многофорсуночных камер сгорания ГТД пришли только в середине 70-х годов.

В конце 80-х годов Н.Д.Кузнецов начал разрабатывать идею создания для самолетов гражданской авиации ГТД со сверхвысокой степенью двухконтурности. Наиболее распространенные отечественные и зарубежные, существующие и разрабатываемые двигатели для пассажирских самолетов имеют степень двухконтурности до 6 у GE-90-9. Николай Дмитриевич предложил создать двигатель с двухконтурностью 16. Нельзя сказать, что эта идея была предложена Н.Д. Кузнецовым. Теоретические статьи были и в СССР, и за рубежом. Но берясь за что-то  новое, Николай Дмитриевич сразу ставил перед коллективом ОКБ задачу с большим размахом, чувствуя всю многогранность работ по новому проекту не только с точки зрения теоретической и конструкторской проработки, но охватывая проблемы технологические, металлургические и чисто производственные.

Создаваемый им двигатель НК-93 со степенью двухконтурности 16,7 давал новый количественный и качественный скачок в авиационном двигателестроении. При скачкообразном переходе от степени двухконтурности 6 к 16,7 удельный расход топлива улучшается до 15% – это уже новое качество авиадвигателя. К сожалению, финансовые трудности и нежелание чиновников иметь такой двигатель привели, практически, к закрытию темы. На наш взгляд, идея такого двигателя должна пробить дорогу в авиацию. Не зря же фирма «Аэрбас» видит эту схему двигателя на самолетах 2020-х годов.

В 1974г. Н.Д. Кузнецов принял решение исследовать проблему возможности использования в авиации криогенных топлив. В этот же период начала заниматься этой проблемой и фирма «Пратт-Уитни». Благодаря настойчивости и целеустремленности Н.Д. Кузнецова были проведены работы по применению жидкого водорода и сжиженного природного  газа и создан двигатель  НК-88 (НК-89), работающий на этих топливах. В апреле 1988г. был совершен первый полет самолета Ту-155 с двигателем НК-88, работающим на жидком водороде, а в январе 1989г. первый полет на этом же самолете на сжиженном природном газе. Зарубежные авиационные специалисты после этих полетов сделали заключение, что работы Н.Д.Кузнецова опередили на несколько лет западные фирмы.

Все, за что брался Н.Д. Кузнецов, опережало работы других родственных отечественных и зарубежных фирм. Таков был стиль работы Н.Д.Кузнецова.

Разработанные Н.Д. Кузнецовым авиационные двигатели позволили ему войти в плеяду выдающихся авиационных специалистов: А.Н. Туполева, С.В. Ильюшина, А.С. Яковлева, А.А. Микулина, А.Д. Швецова и А.М. Люлька.

Следует сказать о том, что ОКБ под руководством Николая Дмитриевича в содружестве с академиками И.В.Курчатовым и А.П.Александровым разработали двигатель с атомным реактором. Когда Курчатову показали реактор, созданный специалистами ОКБ, академик не поверил, что он работает.

Ту-95 летал с двигателем, где вместо камеры сгорания был атомный реактор. Тема не получила развития в связи с нерешенностью в то время проблемы защиты экипажа от облучения. Реактор же многие десятилетия работал в Курчатовском институте.

В конце 50-х – начале 60-х годов Николай Дмитриевич предложил использовать снятые с самолета отработавшие ресурс авиационные ГТД в качестве силовых приводов наземных энергетических установок. Предварительно была проведена глубокая проработка этого вопроса, показавшая, что при снижении рабочей температуры газов перед турбиной на 150…200 град. С и частоты вращения роторов на 5 …7% по сравнению с условиями работы авиадвигателя, можно на десятки тысяч часов продлить ресурс наземного двигателя.

Несмотря на прохладное отношение к этому предложению министерств и ведомств, Кузнецову в 1969 г. удалось добиться Постановления Правительства по созданию наземного двигателя НК-12СТ мощностью 6,3 МВт на базе авиадвигателя НК-12МВ для газоперекачивающего агрегата. Затем в 1979 г., при поддержке Председателя Госплана Н.К. Байбакова, вышло Постановление по созданию наземного двигателя НК-16СТ мощностью 16МВт. Таким образом, по инициативе Кузнецова осуществилась его идея – новое направление в авиадвигателестроении – конвертирование авиационных ГТД в наземные приводы энергетических установок.

После ухода из жизни Николая Дмитриевича осталось большое наследие. Это, во-первых, созданная им школа конструирования двигателей и крупнейшая экспериментальная база, а, во-вторых, большой задел новых двигателей и тем, которые Николай Дмитриевич не успел закончить:

- принципиально новый тип двигателя – винтовентиляторный с редуктором НК-93. Он может стать двигателем ХХI в.;
- двигатель НК-89, использующий в качестве топлива сжиженный природный газ или жидкий водород. Имеется по этой теме Постановление Правительства РФ, которое никто не отменял, но и не выполняет;
- жидкостно-ракетные двигатели НК-33, НК-43, НК-31, НК-39, которые используются для ракетных комплексов Самарского государственного научного центра «ЦСКБ – Прогресс» и американской фирмы «Аэроджет»;
- наземные двигатели НК-36СТ, НК-37, НК-38СТ. Уже после смерти Николая Дмитриевича в  1995 г. двигатель НК-36СТ мощностью 25 МВт, КПД 36% успешно прошел межведомственные (государственные) испытания и сейчас успешно эксплуатируется в составе газоперекачивающих агрегатов. Закончена работа по двигателю НК-37 мощностью 25МВт, КПД 36,4% и на его базе создана первая в стране теплоэлектростанция с двигателем авиационного типа такой мощности, работающая на Безымянской ТЭЦ (г.Самара) с 1999 г.

Очень весом вклад Николая Дмитриевича в авиации и газовой промышленности: до 90-х годов около 43% пассажиров перевозилось на самолетах с двигателями «НК» (Ил-62, Ту-154Б и Ил-86), вся стратегическая авиация оснащена двигателями «НК». Более 30% добываемого в СНГ природного газа перекачивается ГПА с двигателями «НК».

1.         Николай Дмитриевич Кузнецов был многогранным ученым и великим конструктором. Он глубоко занимался разработкой:

-          авиационных газотурбинных двигателей;
-          авиационных двигателей с атомным реактором вместо камеры сгорания;
-          авиационных двигателей, работающих на криогенных топливах;
-          газотурбинных двигателей для экранопланов;
-          жидкостно-ракетных двигателей;
-          лазерных установок на основе авиационных и жидкостно-реактивных двигателей;
-          конвертированных ГТД для приводов нагнетателей газоперекачивающих агрегатов и электрогенераторов.

2.         Многое из того, что разработано под руководством Кузнецова, было сделано впервые в мире или впервые в СССР:

-          первый в СССР и самый мощный в мире ТВД;
-          первый в СССР и самый мощный в мире двухконтурный двигатель с форсажной камерой для сверхзвуковых самолетов;
-          первый в мире ЖРД большой тяги, работающий по замкнутой схеме;
-          первый в мире авиационный двигатель с атомным реактором вместо камеры сгорания для опытных полетов на самолете Ту-95;
-          первый в СССР трехвальный двухконтурный двигатель с форсажной камерой и регулируемым реактивным соплом;
-          первые в мире двигатели, работающие на жидком водороде и сжиженном природном газе;
-          первые в СССР литые рабочие лопатки турбины;
-          первые в мире многофорсуночные камеры сгорания и многое другое.

3.         Н.Д. Кузнецов создал единственный в Европе комплекс по доводке двигателей, который постоянно совершенствовался, и свою научную школу конструирования и создания  различных двигателей.

4.         Н.Д. Кузнецов постоянно передавал свои знания своим сотрудникам и студентам Куйбышевского авиационного института, где он 10 лет заведовал кафедрой конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов.

5.         Н.Д. Кузнецов оставил потомкам большое творческое наследие:

-          криогенные двигатели;
-          разработанный проект двигателя с тягой 40-45 т.с., на базе которого можно получать и тягу до 50 т.с.;
-          двигатель принципиально новой схемы, сверхвысокой степени двухконтурности с приводом через редуктор двухступенчатого винтовентилятора противоположного вращения в оболочке.
 
Такое большое и глубокое наследие, оставшееся от Николая Дмитриевича, накладывает особую ответственность на руководителей ОАО «СНТК им.Н.Д. Кузнецова» и ОАО «Моторостроителя» (теперь ОАО «Кузнецов»). Их задача – реализовать эти темы. Это позволит России занять достойное место в мировой авиации.

Анатолий Ситнов,
президент, председатель совета директоров ЗАО «Двигатели «Владимир Климов – Мотор Сич», генерал-полковник

Евгений Гриценко,
генеральный директор – генеральный конструктор
ОАО «СНТК им. Н.Д.Кузнецова» в 1994-2004 гг., доктор технических наук, профессор