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 всё 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 всём 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
Фото: Светланы Шеметюк, Юлии Кратовой и из открытых источников.
