3:51 утра: взгляд изнутри на первый запуск двигателя GT50

Производство двигателя GT50 на собственных мощностях

Главным фактором в разработке первого в мире доступного газотурбинного двигателя для авиации общего назначения 2.0 стала наша масштабная стратегия Вертикальной интеграции производства. Сохраняя полный контроль над всеми производственными процессами на нашем производственном комплексе в Великобритании, мы обеспечиваем абсолютное управление стоимостью, качеством, объёмами и сроками.

Для создания 438 отдельных компонентов GT50 наша команда построила поистине уникальный производственный комплекс мирового уровня, включающий:

• Собственное литейное производство для точного литья лопаток турбины из суперсплавов, охлаждаемых цельнокольцевых сопловых аппаратов и силовых конструктивных элементов.
• Прецизионную механообработку для производства высокоскоростных подшипников, шестерён, двухканальных топливных форсунок и высококачественных титановых крыльчаток, рассчитанных на частоту вращения 50 000 об/мин.
• Передовые технологии изготовления для точной штамповки, вальцовки и сварки сложных камер сгорания из суперсплавов и тонкостенных корпусов двигателя.
• Прецизионную метрологию и сборку в термостатированных условиях для соблюдения максимально жёстких допусков и строгого производственного контроля.

Обратный отсчёт: четыре месяца до первого запуска

Оставалось четыре месяца, а мы всё ещё отчаянно вытаскивали последние компоненты из конструкторского отдела, проводили их через программу выпуска документации и передавали в руки Марка, чтобы производственная команда могла приступить к работе. Когда выходишь из мира 3D-моделирования в стадию детального проектирования, обнаруживаешь все мелкие упущения — зазоры уплотнений, допуски, ошибки в последовательности изготовления, — и на их устранение уходит колоссальное время.

Можно было ощутить напряжение, с которым конструкторы передавали готовые чертежи в производство — совсем как школьники, сдающие домашнее задание на проверку. Наш последующий опыт показал: чем раньше отдаёшь чертежи в работу, изготавливаешь и испытываешь детали — тем лучше. Именно тогда начинается настоящее обучение.

Выпуск деталей был лишь началом борьбы для Марка, которому предстояло координировать колоссальную логистическую задачу: впервые изготовить все 438 компонентов — каждую деталь, каждое приспособление и оснастку, каждый технологический процесс — в строгой последовательности. Покрытия, термообработка, контроль, рентгенография, неразрушающий контроль — множество операций, скоординированных так, чтобы производство ни разу не встало.

Неустанный труд и его человеческая цена

Команда работала семь дней в неделю на протяжении четырёх месяцев: станки работали круглосуточно, люди приходили по вечерам, чтобы сменить программы и перезагрузить оборудование. Такой уровень напряжённой работы требует огромных жертв — не только от сотрудников, но и от их семей, жён и детей, которым всё это время так не хватало внимания. Мы в неоплатном долгу перед каждым из них. Без этих сверхчеловеческих усилий и самоотдачи ничего бы не получилось.

За два месяца до срока: все детали под одной крышей

Оставалось два месяца, а производство уже стремительно двигалось вперёд. Из сырья, не покидая стен одного предприятия, мы изготовили:

• Механически обработанные и прошедшие контроль высококачественные титановые крыльчатки, рассчитанные на частоту вращения 50 000 об/мин.
• Сложные тонкостенные корпуса двигателя из алюминия, стали и сплавов на основе никеля.
• Сложные сварные камеры сгорания из жаропрочных суперсплавов на основе никеля, кропотливо изготовленные методами штамповки, профилирования и сварки.
• Диски турбины из суперсплавов, обработанные с невообразимыми допусками, включая высокоточные курвические соединения и «ёлочные» хвостовики лопаток.
• Прецизионные литые лопатки турбины из суперсплавов; прецизионно шлифованные хвостовики «ёлочного» типа; штампованные фиксирующие замки.
• Литые цельнокольцевые охлаждаемые направляющие лопатки соплового аппарата из суперсплавов.
• Высокоэффективные лопаточные диффузоры из высококачественных сталей, изготовленные механической обработкой, сваркой и вакуумной пайкой.
• Сложные двухканальные топливные форсунки.
• Первые высокоточные высокоскоростные подшипники, рассчитанные на частоту вращения 50 000 об/мин.
• Первые высокоскоростные шестерни для коробки приводов агрегатов и понижающего редуктора.

Прагматичный инжиниринг и строгие испытания

Когда дело дошло до испытаний, мы отказались от излишней сложности в пользу проверенных на практике, прагматичных решений. Для проведения испытаний камеры сгорания, вместо того чтобы возводить сложную и дорогостоящую инфраструктуру, мы задействовали старую установку воздушного запуска для подачи необходимого горячего сжатого воздуха. Уже через неделю системы топливоподачи и сгорания работали безупречно.

Спустя месяц: испытательный стенд

Испытания газотурбинных двигателей — это не игра: они потенциально очень опасны, и мы обязаны проводить каждое испытание безопасно и ответственно. Наиболее прагматичным подходом стало создание защищённого испытательного стенда внутри морского контейнера на нашей территории. Двигатель был тщательно оснащён сложной сетью датчиков и капиллярных трубок. Это позволило нам измерять температуру, давление, расход и вибрацию, гарантируя возможность всесторонне оценить как термодинамическую эффективность, так и механическое состояние GT50.

За две недели до запуска: проблемы со сгоранием и прагматичное решение

Примерно за две недели до первого розжига мы столкнулись с первой серьёзной проблемой. Сложная система управления и контрольно-измерительного оборудования, разработанная на базе Rufus 1 и запланированная для испытательного стенда Rufus 3, — которая затем должна была быть перенесена непосредственно на двигатель, — отставала от графика из-за множества мелких системно-инженерных проблем, которые невозможно предусмотреть заранее. Без системы управления мы не могли проводить испытания камеры сгорания, не могли завершить её настройку и не могли запустить двигатель. Нам требовалось сменить курс.

Мы привлекли к работе в команде Яна — страстного коллекционера газотурбинных двигателей с колоссальным практическим опытом владения и эксплуатации наземных турбин. Мы внедрили простую систему ручного управления подачей топлива и воздуха, используя сочетание цифровых и классических аналоговых приборов. Результат не заставил себя ждать. Мы могли провести испытание с утра, к обеду внести изменения в конструкцию, за ночь изготовить новый комплект компонентов и возобновить испытания уже на следующий день. В течение недели системы подачи топлива и сгорания были отработаны достаточно хорошо для того, чтобы запустить самый первый GT50.

Далее нам потребовался источник горячего сжатого воздуха для вывода камеры сгорания на рабочие режимы. Каждый из рассмотренных вариантов оказывался сложным, громоздким и дорогостоящим. Нам и в голову не приходило, что можно недорого воспользоваться уже существующим газотурбинным двигателем, изначально спроектированным в качестве воздушного стартера для более крупного двигателя. Как выяснилось, у Яна в гараже хранились три установки, некогда применявшиеся для запуска двигателей RB211. Мы усадили Яна в фургон, привезли один из агрегатов, изготовили несколько переходников — и уже на следующий день приступили к испытаниям. Чем интенсивнее мы нагружали систему сгорания, тем лучше она работала: стабильное, правильно локализованное пламя, а зона рециркуляции и завихрители функционировали именно так, как мы и задумывали.

За неделю до запуска: контрольно-измерительное оборудование и четыре часа производственной реальности

За неделю до старта внимание переключилось на установку контрольно-измерительного оборудования для опытного двигателя — и мы буквально рвали на себе волосы, прокладывая сложную сеть трубопроводов, проводов и датчиков вглубь двигателя. Как объясняет Эрик Уэлч, обеспечивающий поддержку программы GT50 в части контрольно-измерительных систем и систем управления: поскольку это наш первый двигатель, мы намеренно разместили множество датчиков для оценки как механического состояния — температур, оборотов, вибрации, — так и термодинамической эффективности.

Проблема заключалась в следующем: данные необходимо получать от датчиков, расположенных в совершенно недоступных зонах, проложенных в виде путаницы проводов и капиллярных трубок через крошечные каналы к системе сбора данных, с полным сохранением герметичности под давлением, и всё это — в процессе сборки двигателя. Это был настоящий кошмар. Крис опускал массивный корпус, пока мы протягивали кабели; Джейсон сломал две капиллярные иглы и был закономерно отстранён от работы в цехе.

Одновременно мы проектировали, изготавливали и применяли стапели, оснастку и специализированный инструмент буквально на ходу — при этом практически каждый новый компонент требовал собственного приспособления. Но вот что примечательно: если исключить работы по контрольно-измерительному оборудованию и постоянно прерывавшуюся разработку оснастки, один человек тратит на сборку GT50 около четырёх часов. Масштабирование до крупносерийного производства — задача совершенно не пугающая.

Последние 48 часов: установка двигателя на испытательный стенд

За 48 часов до запуска мы завершили все работы, доступные при вертикальной сборке, и должны были перевернуть двигатель, чтобы установить его на испытательный стенд. Обнаружились два небольших упущения. Во-первых, мы собирали двигатель в лаборатории механической сборки на верхнем этаже, а грузового лифта у нас пока нет. Единственный путь вниз — установить двигатель на поддон, отвезти в зону погрузки и очень осторожно опустить с помощью вилочного погрузчика. Напряжённый момент, и вздох облегчения вырвался лишь тогда, когда двигатель оказался на земле.

Во-вторых, двигатель был доставлен в вертикальном положении, и нам предстояло перевести его в горизонтальное, однако на этапе проектирования мы не предусмотрели надлежащих такелажных проушин. Вновь пришлось использовать временно приваренные такелажные пластины — ещё один напряжённый момент, — но на стенд мы его установили без повреждений. Именно тогда я впервые подумал: у нас есть двигатель.

Последние 12 часов: первый глоток Jet A-1

Оставалось около 12 часов: всё было построено, собрано и проверено, и пришло время переместить двигатель в испытательный бокс. Мы аккуратно перевезли его на погрузчике по проходам завода — по одному человеку у каждого угла. Для первых запусков на малых оборотах — смазки, холодной прокрутки и первоначального выхода на самоподдерживающийся режим — мы разместили стенд наполовину внутри и наполовину снаружи контейнера, чтобы во время пусконаладочных работ команда имела свободный доступ к двигателю со всех сторон. А затем — и я говорю об этом с особой гордостью — я дал самому первому GT50 его самый первый глоток Jet A-1.

Четыре часа до запуска: урок по системе смазки

Когда стенд был подключён — электропитание, смазка, охлаждение, контрольно-измерительные приборы и управление перешли в рабочий режим — мы приступили к проверке систем жизнеобеспечения. Первой на очереди была система смазки, и на то есть две причины. Критически важно обеспечить достаточное охлаждение и смазку высокоскоростных подшипников: без этого ротор заклинит и разрушит двигатель. Не менее важно подобрать идеальное количество масла: при его недостатке подшипники и шестерни перегреваются от трения; при избытке же, как ни парадоксально, высокоскоростные компоненты взбивают масло в пену, генерируя тепло за счёт вязкостного сдвига о каждую деталь, что также приводит к перегреву.

Мы запустили воздушно-масляный теплообменник, откачивающие и нагнетательные насосы. Поначалу всё шло отлично. Затем Марк обнаружил утечку в задней части — масло было повсюду, с корпуса капало. К тому моменту мы работали уже около 19 часов. Спереди масло вытекало из сапуна маслоотделителя коробки агрегатов. GT50 — двигатель с сухим картером; в этих корпусах не должно быть остаточного масла. Мы ошиблись с производительностью нагнетания и откачки — подавали больше масла, чем успевали откачивать, буквально перекармливая наш новорождённый двигатель.

Мы остановили работу, откачали излишки и прибегли к простой инженерии с вёдрами — физически измерили, какой именно объём подавал и возвращал каждый нагнетательный и откачивающий насос. Мы быстро выяснили, что откачиваем совсем не тот объём, который предполагали. Перекалибровка: откачивающие насосы — немного быстрее, нагнетательные — немного медленнее. Система пришла в равновесие, и мы продолжили.

За два часа до запуска

За два часа до зажигания ротор впервые провернулся в двигателе, приводимый в движение исключительно стартером во всём доступном ему диапазоне оборотов. Этот тест показывает, есть ли механические касания, динамическая нестабильность ротора, проблемы с вибрацией или какие-либо нежелательные явления в подшипниках и шестернях.

Примерно при 1 000 об/мин стояла тишина. Абсолютная тишина. Никакой вибрации — невозможно было даже понять, что двигатель вращается, и даже стартер работал бесшумно.

Мы постепенно увеличивали обороты. Где-то около 2 000 об/мин появилось едва уловимое дребезжание — небольшая осевая вибрация со стороны коробки приводов. Марк был уверен, что в этом нет ничего серьёзного: нечто подобное мы уже наблюдали со стартер-генератором, поэтому решили немного прибавить обороты, чтобы посмотреть, удастся ли пройти резонанс. Вибрация становилась всё тише и тише, и вскоре двигатель стабильно работал от стартера при 10 000 об/мин. Тихо. Ровно. Плавно. Никакой ощутимой вибрации — и это на первом комплекте подшипников нашего собственного производства, после того как этот ротор собирали и разбирали столько раз, что никто уже не брался считать.

Именно в этот момент производственная команда поняла: всё получится.

Зажигание: первый вдох в 3:51 утра

Внезапно понимаешь, что делать больше нечего. Тридцать лет жизни остались позади, приведя к этому моменту, и теперь пришло время проверить, удастся ли оправдать все данные обещания.

Пять. Четыре. Три. Два. Один.

Эрик произнёс: «Я отключаюсь», и Джейсон вскинул руки вверх. Самоподдерживающийся режим. 27 000 об/мин на экране. Мы отработали 23-часовую смену, и все были на пределе сил, но адреналин и значимость момента взяли своё.

Мы даже не планировали в ту ночь выходить на самоподдерживающийся режим. И в этом есть что-то поистине поэтическое: двигатель сделал первый вдох на рассвете — в 3:51 утра — после колоссальных усилий всех причастных.

Такие дни не забываются никогда. Они придают смысл всему остальному. Никто здесь не сомневается: лучше и быть не могло.