25/07/2016 ИТПМ СО РАН
Сибирская наука на службе авиации России
825 ИТПМ СО РАН ИГиЛ СО РАН ИТ СО РАН ИХКГ СО РАН СО РАН ФАНО РАН Инновации Физика Новосибирск На XVIII Международной конференции по методам аэрофизических исследований ICMAR 2016, прошедшей в Перми, ученые со всей России представили и обсудили разработки, призванные вывести отечественную авиацию на новый уровень.
Незадолго до конференции, в начале июня, состоялось очень важное для Российской гражданской авиации событие: ПАО корпорация "Иркут" представила премьер-министру Правительства РФ Дмитрию Медведеву новый гражданский самолет МС-21, работа над которым велась в последнее десятилетие. Россия стремится вернуться на свои прежние позиции в этой сфере — после развала СССР были утеряны многие компетенции.
— В 1990-е годы в России полностью упало гражданское самолетостроение, и лишь сейчас оно начало подниматься, — отметил научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН академик Василий Михайлович Фомин. — Сделали Superjet, но он летает на двигателях, созданных в кооперации с западными коллегами. Хорошо, что следующий лайнер, МС-21, уже ориентирован на два двигателя: и на российский, и на западный. Основное достоинство нового самолета в том, что он процентов на 50 состоит из композитных материалов — в первую очередь это касается крыльев. В связи с подъемом авиапромышленности возникла необходимость в своем двигателе — для этой задачи и разрабатывается новый ПД-14. Институты Сибирского отделения механического профиля очень активно работают с АО "Авиадвигатель" — в 2013 году был подписан меморандум о сотрудничестве СО РАН и этого предприятия, поэтому неслучайно местом проведения форума ICMAR выбрана Пермь.
Институты СО РАН начали сотрудничать с пермским КБ "Авиадвигатель" при создании нового авиадвигателя ПД-14 и теперь продолжат совместную работу над сверхсовременным проектом. О дальнейших перспективах развития семейства ПД в ходе ICMAR 2016 рассказал управляющий директор, генеральный конструктор "Авиадвигателя" доктор технических наук, профессор Александр Александрович Иноземцев.
— Пермское КБ нуждается в принципиально новых технологиях, которые позволят в дальнейшем создать целый ряд авиационных и промышленных двигателей, — отметил Александр Иноземцев. — Нам необходимо сделать так, чтобы на базе одного унифицированного газогенератора производились различные модификации двигательных установок, отвечающих потребностям мирового рынка. Для достижения этой цели нам вместе нужно решить огромное количество научно-технических, технологических, материаловедческих и других задач. Мы приступаем к реализации нового проекта — созданию ПД-35 тягой 35 тонн. Уже просчитаны и готовы к разработке его примерные параметры. Поэтому нам по-прежнему нужны творческая энергия, силы, знания и еще больше глубоких фундаментальных и прикладных научных исследований.
О том, какими будут приоритеты "научных исследований в обеспечении технологического задела современного авиастроения" рассказал в своем выступлении генеральный директор ФГУП "ЦАГИ" член-корреспондент РАН Сергей Леонидович Чернышев. В связи с этим докладчик особо отметил роль взаимодействия фундаментальной и прикладной науки, в частности институтов ФАНО (РАН) — ЦАГИ, которое было весьма успешным и плодотворным в последние семь-восемь лет. Такое взаимодействие должно продолжаться, в том числе с вовлечением научного потенциала авиационных корпораций (КБ).
Какие задачи необходимо решить для совершенствования аэродинамики летательных аппаратов, по мнению экспертов ведущих российских авиационных организаций, изложил в своем выступлении начальник второго отделения ФГУП "ЦАГИ" Андрей Викторович Волков. Среди них есть проблемы, в решение которых могут внести весомый вклад и ученые институтов Сибирского отделения РАН. Например, в течение последних лет ИТПМ СО РАН активно сотрудничает с ЦАГИ по проблеме нестационарного обтекания элементов летательных аппаратов, которая является серьезным препятствием для создания современных гражданских самолетов с крылом большого удлинения.
Другой актуальной проблемой для совершенствования гражданских самолетов является уровень акустического шума двигателей, особенно на режимах набора высоты и посадки. Российские самолеты всегда отличались качественной аэродинамикой, но отечественные авиационные двигатели существенно уступали иностранным аналогам по уровню шума.
В условиях жесточайшей конкуренции России необходимо создавать самолеты, соответствующие современным и перспективным нормам Международной организации гражданской авиации (ICАО). Решением этой проблемы вплотную занимаются специалисты ЦАГИ, ПНИПУ и "Авиадвигателя" во главе с начальником Аэроакустического отделения (НИО-9) ЦАГИ доктором физико-математических наук Виктором Феликсовичем Копьевым. Впервые в истории проведения ICMAR специалисты широко обсудили проблемы и задачи акустики в рамках работы специально созданной секции.
Стоит отметить, что ПД-14, в создании которого приняли участие сотрудники различных институтов РАН, получился сверхвысокотехнологичным. В частности, при проектировании мотогондолы использовались угле- и стеклопластиковые сотовые конструкции, промежуточный корпус сделан с применением крупногабаритного тонкостенного титанового литья. На детали горячей части нанесено керамическое покрытие, а зубчатые колеса высокой прочности изготовлены из новых теплостойких сталей.
Как сообщил Александр Иноземцев, летные испытания ПД-14 продолжатся в сентябре 2016 года. Запланировано 50 полетов, после которых будет принято решение об установке его на самолет МС-21. Затем предстоит запуск в серийное производство — конструкторы рассчитывают получить сертификат типа уже к 2018 году. Наработки, достигнутые при создании ПД-14, могут быть использованы при проектировании газотурбинных установок промышленного (наземного) назначения. Также планируется применять полученные знания при конструировании нового двигателя для широкофюзеляжного самолета, который разрабатывается совместно Россией и Китаем.
Специалисты уже определили ряд ключевых технологий ПД-35. Планируется создать мотогондолу большой размерности с ламинарным обтеканием. Многие детали двигателя предполагается изготовить из полимерных композиционных материалов и порошковых сплавов с применением аддитивных технологий. Малоэмисионная камера сгорания будет соответствовать ориентировочным экологическим требованиям 2030 года, а при создании турбины планируется использовать перспективные сплавы повышенной жаропрочности. Дополнительную надежность обеспечат интеллектуальная система автоматического управления распределенной структуры, высокотемпературная элементная база, фотоника, электроагрегаты с минимальной удельной массой, а также комплексные средства диагностики и прогнозирования с возможностью передачи данных о полете в удаленные вычислительные центры.
— Важно, что к этой разработке "Авиадвигатель" готов, — отметил заведующий лабораторией Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН доктор физико-математических наук Александр Дмитриевич Косинов. — Некоторые участники конференции в этом убедились во время экскурсии на предприятие.
По итогам работы на конференции ICMAR 2016 ученые СО РАН во главе с научным руководителем Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН академиком Василием Михайловичем Фоминым и конструкторами КБ "Авиадвигатель" констатировали необходимость продолжения научно-технических изысканий уже в рамках проекта ПД-35. В ближайшее время специалисты ИТПМ СО РАН, Института гидродинамики имени М.А. Лаврентьева СО РАН и Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) будут добиваться повышения надежности и прочности элементов турбомашин, создавать огне- и молниезащитное покрытие, а также устранять проблему обледенения — например, с помощью нанесения на двигатель супергидрофобного слоя. В.М. Фомин также сообщил, что в ближайшие 15 — 20 лет ученым предстоит решить вопрос утилизации композитов, оставшихся от выведенных из эксплуатации самолетов.
"Таким образом, собравшиеся в рамках ICMAR 2016 специалисты получили знания о проблемах, с которыми неизбежно сталкиваются авиаинженеры", — сообщил кандидат физико-математических наук Виталий Николаевич Зиновьев. Основные объекты исследований: высоконапорные компрессоры, малоэмиссионные камеры сгорания, мотогондолы, задачи акустики, проблемы прочности, системы измерения и технологические процессы производства. Над этим работают сотрудники нескольких организаций Сибирского отделения РАН: Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Института химической кинетики и горения СО РАН, Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) и др.
— Задачи ИТПМ СО РАН связаны в основном с внешней частью авиадвигателя — мотогондолой, ее обтеканием, — объясняет директор ИТПМ СО РАН член-корреспондент РАН Александр Николаевич Шиплюк. — Борьба идет за проценты в экономии сопротивления самолета, поскольку на длинных дистанциях они выливаются либо в увеличение полезной нагрузки, либо в экономию топлива.
— Сотрудники ИТПМ СО РАН также проводили исследования характеристик потока в ПД-14 по пульсациям методами термоанемометрии, — сообщил исполнительный директор Международного центра аэрофизических исследований доктор технических наук, профессор Вадим Аксентьевич Лебига. — Другая лаборатория института моделировала высокоскоростные разрушения элементов двигателя. Например, лопатка вентилятора, оторвавшаяся в полете из-за попадания крупной птицы, на высоких скоростях может пробить мотогондолу. Чтобы избежать аварии, ученые просчитывают механизмы разрушения оболочки из разных материалов сломавшейся деталью.
Кроме того, специалисты Института теоретической и прикладной механики СО РАН развивают бесконтактные методы измерения: при экспериментах в аэродинамических трубах иногда невозможно установить необходимое количество датчиков, но вполне реально нанести покрытие из жидких кристаллов. В ИТПМ СО РАН готовят и калибруют нужные составы, с помощью которых можно определить необходимые характеристики, например распределение температуры на части поверхности летательного аппарата.
Сотрудники Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН изучают акустические явления, и уже провели цикл расчетных работ по исследованию дискретных тонов и акустических резонансов в авиадвигателе. Специалисты предложили методы подавления вредных шумов.
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН занимается исследованием жидких пленок, которые обеспечивают эффективный переход топлива в газообразное состояние для минимизации вредных выбросов. Работа ученых ИТ СО РАН также связана с панорамными методами диагностики потоков — в частности, с измерением скорости по изображениям траекторий движения частиц в потоках. Достижения и перспективы применения бесконтактных методов диагностики потоков для решения задач авиационной промышленности были изложены в докладе заместителя директора Института теплофизики СО РАН члена-корреспондента РАН Дмитрия Марковича Марковича.
Специалисты Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) выполняли работы по упрочнению сварного шва и исследовали нанесение покрытий, а в Институте кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН измеряли распределение частиц продуктов сгорания на выходе из двигателя. Если сажи оказывается слишком много, загрязняется окружающая среда. При работе над ПД-14 сибирские ученые и инженеры из Перми впервые получили уникальные данные по распределению размеров наночастиц сажи в зависимости от режимов работы двигателя.
В целом тематика ICMAR всегда была направлена на обмен мнениями по фундаментальным проблемам, возникающим при моделировании движения высокоскоростных летательных аппаратов. Причем, основное внимание всегда уделялось задачам, стоящим на стыке различных дисциплин: аэрогазодинамики, аэротермодинамики, прочности и связанных с ними научных и практических технологий.
В работе ICMAR 2016 приняли участие 215 ученых, включая иностранных участников, представлявших около 40 научных, научно-производственных организаций и вузов, в том числе Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского, Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Опытно-конструкторское бюро им. А. Люльки, АО "Авиадвигатель", Объединенный институт высоких температур РАН, НИИ механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Московский физико-технический институт и целый ряд научных организаций РАН и СО РАН. Самой многочисленной оказалась делегация ИТПМ СО РАН.
Участники ICMAR 2016 представили 246 докладов и обсудили широкий круг задач: моделирование и диагностику газовых потоков, проблемы верификации моделей и методов вычислительной аэродинамики, прикладные программные системы, использование результатов аэрофизических исследований в междисциплинарных задачах. Были затронуты вопросы аэродинамических труб, газодинамических установок и методов диагностики; гидродинамической устойчивости, турбулентности и отрыва, аэрогазодинамики внутренних и внешних течений, аэрокосмических технологий. Впервые в истории проведения ICMAR на выделенной секции обсуждались проблемы и задачи аэроакустики. В рамках конференции прошел мини-симпозиум "Междисциплинарные исследования и высокопроизводительные вычисления", в ходе которого рассматривались результаты фундаментальных и прикладных аэрофизических исследований по моделированию аэровиброупругих процессов и многие другие темы.
В новосибирском Академгородке всегда культивировался междисциплинарный подход, и ICMAR 2016 унаследовала эту традицию, оставаясь единственной конференцией, которая делает акцент на методы в аэрофизических исследованиях. Кроме специальных областей, здесь традиционно рассматриваются междисциплинарные вопросы с выходом на определенные технологии. Несмотря на то, что основной темой форума была аэрокосмическая отрасль, в секции междисциплинарных задач ученые обсудили применение аэрофизических методов в биологии, химии и экологии. Василий Михайлович Фомин подчеркнул, что с каждым годом приходится решать все больше задач на стыке механики и медицины.
— Американские ученые первыми обратили внимание на то, как кровь перекачивается из одного желудочка сердца в другой, и создали для этого небольшой моторчик. Сейчас наша страна активно догоняет эти разработки. Специалисты СО РАН во главе с заведующим лабораторией дифференциальных уравнений Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН доктором физико-математических наук Александром Павловичем Чупахиным активно занимаются аневризмами. Ученые пытаются точно узнать, как кровь циркулирует в голове, какие сосуды закупориваются и так далее — тогда можно будет целенаправленно производить операции на мозге. Благодаря механикам врачи перестают лечить вслепую.
Запрос на подобные исследования традиционно исходит от медиков, которым требуются математические модели, описывающие гидродинамические процессы в живых организмах. Для верного выбора лечения врачам нужно не только понимать, как в идеале должны функционировать жидкости в теле, но и учитывать индивидуальные особенности человека. Этому и способствуют исследования сибирских специалистов под руководством Василия Михайловича Фомина по гемодинамике и моделированию дыхательных процессов человека. Несколько докладов по этой проблематике обсуждены во время работы конференции.
В завершение форума участники ICMAR 2016 посетили исследовательские лаборатории Пермского национального исследовательского политехнического университета и отметили высокий уровень их оснащения, а также проводимых экспериментов. Специалисты ознакомились с открытым натурным стендом, где проводятся акустические испытания авиационных двигателей, а также побывали в Центре акустических исследований, где увидели установку "канал с потоком" и образцы звукопоглощающих конструкций, которые испытываются на ней.
— На нас произвела сильное впечатление экскурсия по лабораториям ПНИПУ: университету были выделены деньги на освоение современных технологий, чтобы студенты учились, работая на современных станках и приборах. Видно, что средства были вложены эффективно, — сказал Александр Дмитриевич Косинов.
При подведении итогов конференции все выступившие отметили высокий уровень докладов, представленных на научных заседаниях, и хорошую организацию мероприятия в целом. По оценке специалистов, проведение конференции ICMAR 2016 уже способствовало решению научных проблем моделирования и диагностики газовых потоков, проблем верификации моделей и методов вычислительной аэродинамики, использования результатов аэрофизических исследований в междисциплинарных областях.
Организаторы ICMAR 2016: Национальный комитет по теоретической и прикладной механике, Российский национальный комитет Международной организации IFToMM, Сибирское отделение Российской академии наук, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Пермский научный центр УрО РАН, Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермский национальный исследовательский политехнический университет и АО "Авиадвигатель".
Форум ICMAR 2016 прошел в год 40-летия Всесоюзной, а с 1992 года Международной конференции "Методы аэрофизических исследований". Ее инициаторами являются сотрудники ИТПМ СО АН СССР, которые в 1976 году развили идею академика В.В. Струминского, проводившего в начале 1970-х годов Всесибирскую конференцию. На ней обсуждались бурно развивавшиеся в то время численные и экспериментальные методы исследования газовых потоков во всем диапазоне скоростей. Долгие годы география конференции ограничивалась городами Сибири — в разное время с периодичностью в два-три года форум принимали Новосибирск, Томск, Красноярск и Бийск. В 2012 году ICMAR впервые проводилась в европейской части Российской Федерации, в Казанском федеральном университете. В этом году форум прошел в Пермском национальном исследовательском политехническом университете.
История конференции тесно связана с зарождением в нашей стране исследований по устойчивости и переходу в сдвиговых течениях, исследованию газодинамики многофазных потоков и технологий, разработкой аэродинамических установок импульсного действия. Среди известных конференций в этой области ICMAR отличается тем, что в ней, кроме специальных областей, рассматриваются междисциплинарные вопросы с выходом на конкретные технологии. Поэтому в ICMAR принимают участие ученые из ведущих научно-исследовательских институтов и центров России, конструкторских бюро, университетов страны. Прошедшая XVIII Международная конференция "Методы аэрофизических исследований" стала ярким подтверждением следования своей основной направленности.
Подготовили Павел Красин и Наталья Бобренок