Инженер-конструктор МАИ — о методике улучшения работы аэродинамических поверхностей

В МАИ создана методика оптимизации работы аэродинамических поверхностей, которая позволит улучшить характеристики авиатехники, винтомоторных авиадвигателей и промышленных вентиляторов. Подробнее об этом в интервью RT рассказал главный разработчик алгоритма Андрей Лучков, инженер лаборатории 4-го научно-исследовательского отдела кафедры № 101 Московского авиационного института. По словам Лучкова, на сегодняшний день благодаря данной методике был создан в том числе фактически новый вентиляционный механизм для российских шахт, который на 15-30% эффективнее общемировых образцов.

Вы создали методику, при использовании которой можно существенно улучшить аэродинамику множества высокотехнологичных изделий. Что это за алгоритм? Как его можно применять в авиации?

Наш инженерный коллектив разработал универсальную коммерческую методику (алгоритм) оптимизации работы аэродинамических поверхностей. Её предварительный вариант был создан в течение двух месяцев. Разработка методики производилась на базе оптимизации лопаток шахтного вентилятора ВМЭ-6. Параллельно с этим были изготовлены электронные модели прототипов лопаток. Далее был запущен долгосрочный этап подготовки технологии производства предсерийных образцов и процесс прохождения их сертификационных испытаний.

В авиации адаптация нашего алгоритма позволяет улучшить аэродинамику крыльев летательных аппаратов (ЛА). На сегодняшний день мы доработали методику повышения качества несущей поверхности для летательных аппаратов, выполненных по схеме «летающее крыло». Такие воздушные суда лишены традиционного горизонтального оперения в хвосте.

При использовании нашего алгоритма одновременно обеспечиваются очень высокие показатели аэродинамики, балансировки и управляемости. Таким образом, достигается крайне важный в этом сегменте авиационной техники компромисс.

Поясню. Сейчас при создании ЛА по схеме «летающее крыло» конструкторам приходится делать трудный выбор: если существенно улучшать аэродинамические показатели, то ухудшаются балансировка и управляемость самолёта. По этой причине в ходе реализации такого рода проектов приходится создавать сложную систему управления, что неизбежно оборачивается увеличением финансовых расходов и трудозатрат.

Однако наш коллектив смог получить уникальное техническое решение для «летающих крыльев». Я считаю, что в перспективе оно откроет новый эксплуатационный горизонт для данного класса ЛА как военного, так и гражданского назначения.

Нашу методику можно адаптировать и с целью совершенствования воздухозаборников, которые устанавливаются на бортах реактивных ЛА. Воздухозаборники предназначены для сбора необходимого количества воздушных масс и поддержания устойчивой работы двигателя на всех режимах полёта. Воздухозаборники обеспечивают торможение потока воздуха, нормализуя его давление перед входом в компрессор силовой установки.

Благодаря нашему алгоритму удастся обеспечить оптимальные характеристики прохода воздуха с учётом скорости поступающего потока и показателей давления внутри воздухозаборников. Тем самым мы сможем повысить устойчивость режимов работы авиационных двигателей, исключить срывы потока воздуха, которые нередко возникают.

Есть перспективы и по улучшению характеристик винтомоторных групп ЛА. В частности, можно оптимизировать работу винтов для квадрокоптеров, самолётов и различных аппаратов вертолётного типа. Ограничений по размерности и скоростям здесь нет.

Напомню, что в России к самолётам винтомоторной группы относятся как гражданские, так и военные суда: Ил-112, Ил-114, Ил-20, Ан-24, Ан-26, Ту-95МС/Ту-95МСМ, Ан-2 и создающийся ему на замену ЛМС-901"Байкал«.

Может ли ваша методика пригодиться в судостроении?

Да, она же универсальна для всех несущих поверхностей. В судостроении наш алгоритм может потребоваться для улучшения гидродинамики судов на подводных крыльях. Данный тип скоростного водного транспорта уже несколько десятилетий используется для пассажирских перевозок.

Наша методика пригодится и при создании экранопланов — многоцелевых судов на динамической воздушной подушке. Эти аппараты летят на относительно небольшой высоте от водной поверхности, разгоняясь до сотен километров в час. Такой режим движения создаёт экранный эффект, когда набегающий поток воздуха увеличивает подъёмную силу ЛА.

Однако серьёзной проблемой экранопланов является продольная неустойчивость — физическое явление, возникающее в тот момент, когда при смене высоты полёта центр приложения подъёмной силы смещается в разные стороны. В итоге нос экраноплана может задеть водную поверхность или, наоборот, слишком резко подняться вверх.

Продолжая разговор об универсальности методики, могу сказать, что она будет востребована и для железнодорожного транспорта. В частности, благодаря нашему алгоритму можно оптимизировать аэродинамику высокоскоростных электропоездов. Грубо говоря, форма транспортных средств станет более обтекаемой, способствующей меньшему сопротивлению воздуха.

В какой промышленный продукт на сегодняшний день вылилось практическое применение методики?

Одно из направлений, которое мы сейчас активно развиваем, — это улучшение аэродинамических характеристик промышленных вентиляторов. Результатом работы стал импеллер (система лопаток, работающих в закрытом по окружности корпусе), превосходящий по характеристикам общемировые образцы в своём классе.

На языке специалистов шахтного вентиляционного оборудования это изделие называется рабочим колесом (барабаном) с лопатками, которые имеют небольшой размах. Работы велись на основе вентилятора местного проветривания ВМЭ-6. Он используется в шахтах, рудниках, тоннелях и других загазованных, запылённых местах с тяжёлыми условиями работы. Его нам передал заказчик, чтобы мы учитывали условия, в которых импеллер будет функционировать.

В процессе реализации проекта наш коллектив, по сути, создал новый промышленный вентилятор, который на 15-30% эффективнее общемировых образцов. К тому же он более экономичный в плане энергопотребления и отличается невысокой стоимостью производства.

Разработанный нашим коллективом вентилятор будет использоваться для эффективного очищения воздуха от твёрдых и газообразных вредных примесей. Для шахт, например, требуется очищать воздух от метана, пыли и грязи, которые образуются в процессе добычи угля.

Также мы разработали несколько вариантов рабочих колёс, которые удовлетворяют требованиям заказчика по эксплуатационным характеристикам и технологии изготовления, которую он использует.

Практически аналогичным образом мы действовали и с лопатками к рабочим колёсам. Было разработано несколько вариантов и выбрано изделие, которое технологически более осуществимо.

При этом некоторые наши опытные образцы оказались на 75% лучше находящихся в настоящее время в эксплуатации. Другое дело, что на современном этапе их сложно запустить в серийное производство, так как необходимо внедрение специфических технологических процессов. Классическими на сегодняшний день технологиями на большинстве заводов являются либо гибка стали, либо укладка композита. Для изготовления этих изделий их просто нельзя применить.

После выхода на серийное производство импеллера наш коллектив планирует заняться расширением линейки лопаток серий ВМЭ, ВО, ВР и начать создавать лопатки для крупномасштабных вентиляторов главного проветривания с диаметром до 2,5-3 м и с более сложной системой управления.

Не секрет, что в современных шахтах продолжают происходить взрывы и сильные задымления. К сожалению, трагедии периодически случаются и в нашей стране. Это крупная авария в Кузбассе на шахте «Листвяжная», обернувшаяся человеческими жертвами, и недавняя авария на шахте «Осинниковская». Может ли импеллер улучшить ситуацию с безопасностью в шахтах?

Безопасность в шахтах слагается из многих факторов, но роль вентиляторов, безусловно, велика, потому что они, как я говорил выше, отвечают за очистку воздуха, уменьшая концентрацию взрывоопасного метана.

Также, когда происходит подтопление шахты, аэродинамические лопатки должны функционировать при частичной погружённости в воду, которая может прорываться из породы. Качественно изготовленные лопатки выдерживают очень серьёзные нагрузки, создавая тягу в самых тяжёлых условиях. Собственно, именно такую линейку образцов мы и создали.

Уменьшить вероятность взрыва в шахте — одна из ключевых задач нашего проекта. Отмечу, что взрывобезопасность в эксплуатации шахтных вентиляторов местного проветривания связана с влиянием статического электричества. Для его нейтрализации большинство производителей покрывают лопатки специальной краской, но это связано с определёнными издержками.

Наши инженеры пошли путём проверенных технических авиационных решений — интегрировали в композиционную конструкцию лопаток металлическую сетку, что привело к весьма существенной экономии. Эффективность налицо — электростатические испытания были успешно пройдены с первого раза.

Существуют ли планы по коммерциализации методики оптимизации работы аэродинамических поверхностей?

Помимо выполнения обязательств по импеллеру перед заказчиком, в моих планах — создать вместе с инженерами-компаньонами собственное предприятие, занимающееся вопросами численного моделирования и производства широкой номенклатуры технических изделий под заказ. Это могут быть и беспилотники, и рабочие колёса, и лопатки.

Основу коллектива компании составят люди, которые очень сильно помогли мне с разработкой методики. Это выпускник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва, один из ведущих специалистов в области физики аэрогидродинамики Антон Ляскин, один из ведущих в России специалистов в области прочности авиационных конструкций Денис Кондратьев, выпускник Московского авиационного института Денис Сухарев.

Инженерная профессия — это одновременно и наука, и искусство, требующее вдохновения. Профессиональный успех в нашем деле не достигается механическим перебором вариантов решения проблем. Чтобы создать что-то более совершенное, необходимо особое внутреннее состояние.