ТЕХНОЛОГИИ (последнее)
НА ЧЕМ ПОЛЕТИМ ЗАВТРА?
Машиныи и моторы. Технологии и инновации. Оборудование.
В Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) им. С. А. Христиановича СО РАН в июне 2007 г. состоялся "круглый стол" на тему "Самолеты и двигатели будущего". В его работе участвовали более 70 ведущих отечественных ученых и специалистов, гости из Германии. Дискуссии и обсуждения касались перспектив летательных аппаратов, важнейших направлений развития фундаментальных и прикладных исследований в авиационной и космической отраслях.
Большой интерес вызвали сообщения академиков Виктора Панина (Институт физики прочности и материаловедения, Томск) и Александра Реброва (Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе, Новосибирск), других известных ученых из Сибири. Они затрагивали широкий круг проблем - от создания наноструктурных материалов до их реального применения, от лазерных технологий резки материалов до их сварки, от оценки экономических затрат на строительство воздушных судов до характеристики экологических проблем.
Жаркий спор разгорелся при обсуждении возможностей использования аэродинамических труб и стендов для наземного моделирования элементов перспективных самолетов и авиационно-космических двигателей. Известно, что при увеличении скорости полета до гиперзвуковой этот подход малоинформативен. В данном случае требуются математические методы. И современная вычислительная техника позволяет предсказать основные параметры и характеристики самолета с точностью, достаточной для инженерных нужд.
Конечно, упор на создание гиперзвукового летательного аппарата делается на конкретные испытания. Именно в них проверяют эффективность предложенных физических и математических методов, в результате чего можно понять механизмы взаимодействия потока воздуха с самолетом, ответить на многие частные вопросы, возникающие в ходе конструирования и испытания машины. Кстати, воспроизвести натурные параметры гиперзвукового полета очень непросто. Высокие температуры (несколько тысяч градусов), мощнейшие давления (до тысяч атмосфер) нельзя поддерживать в наземных устройствах долгое время. И тогда на помощь приходят аэродинамические трубы кратковременного действия с рабочим промежутком всего в несколько миллисекунд (и даже микросекунд!). Развитие скоростных методов измерения, быстродействующие вычислительные комплексы позволяют не только собрать огромный объем информации, но и быстро ее обработать.
Разумеется, при создании таких экспериментальных устройств возникает много сложностей. В частности, очень сложно ввести в поток нужное количество энергии. Рассматриваются различные способы нагрева этого потока: применение тяжелых поршней для быстрого его сжатия и тем самым повышения температуры, энергии лазерного излучения, магнитогидродинамических (МГД) устройств, электрических разрядов большой мощности и др.
Альтернативный способ рассмотренного экспериментирования заключается в использовании баллистических трасс, где модель выстреливают с необходимой скоростью в длинную (несколько сот метров) трубу; за время полета в ней измеряют аэродинамические характеристики.
Впрочем, и при небольших скоростях, важных для современных коммерческих лайнеров, аэродинамические трубы дают много полезных сведений. Однако тогда необходимо увеличивать размеры их рабочих частей в несколько десятков метров. Реализация соответствующих проектов требует значительных
стр. 68
средств и затрат, что не под силу отдельно взятой стране. Не случайно для координации деятельности в данном направлении ныне создают межгосударственные рабочие группы и комитеты.
Участники "круглого стола" особо выделили проблему моделирования перспективных авиационных моторов - важнейшее звено строительства гиперзвуковых летательных аппаратов, достигающих от 5 до 15 скоростей звука и больше. Для этого необходим принципиально новый прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который в качестве окислителя может использовать атмосферный воздух. Но реализовать идеи сложно, так как, во-первых, непросто снизить скорость последнего до его поступления в камеру сгорания; во-вторых, трудно перемешать топливо и окислитель и добиться полного сгорания горючей смеси. Образно говоря, надо умудриться не только воспламенить спичку на очень сильном ветру, но и удержать процесс горения до конца. Тем не менее специалисты уже рассматривают различные способы работы таких двигателей. Доказано, что их возможности удастся существенно расширить, используя нестационарные процессы повышения эффективности камеры сгорания. Другое предложение - создание мотора, работающего на непрерывной спиновой (волновой) детонации.
Вместе с тем нельзя забывать, что рассматриваемые гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели ограничены по скорости и высоте полета. И, скажем, для выхода их в космос целесообразно применять двухступенчатые конструкции: на первой ступени действует самолет с указанным мотором, на второй - возвращаемый аппарат с ракетным двигателем (по этому принципу недавно работал американ-
стр. 69
ский демонстратор Х-43 - небольшая модель длиной около 4 м, полет которой длился около 12 с). Но обошелся этот аппарат в несколько сотен миллионов долларов.
Словом, если серьезно подходить к решению задачи использования самолетов с такими гиперзвуковыми установками, сделали вывод участники "круглого стола", то необходимо сотрудничество разных стран. Наиболее перспективным может быть объединение усилий Евросоюза и России.
Ученые и специалисты, собравшиеся в Новосибирске летом 2007 г., обсуждали и проблему повышения ресурса летательных аппаратов. Во многом это вопрос технологии изготовления соответствующих узлов машин. Сейчас они цельносварные, причем операцию проводят с помощью лазера, и, к сожалению, нередко около сварочного шва нарушается структура материала, не хватает данных об усталостной его прочности. По мнению многих исследователей, повысить надежность соединений можно комбинацией различных способов подвода энергии ко шву (ультразвук, холодная плазма, поток электронов) и применением нанотехнологий. Кроме того, нанесение наноструктурных покрытий позволит в разы повысить срок годности узлов самолета.
И еще одна актуальная задача - уменьшение уровня звука, исходящего от двигателей и элементов конструкции летательного аппарата. Ударные волны, сопровождающие полет сверхзвукового самолета, оказывают негативное воздействие не только на здания и сооружения около аэропорта, разбивая стекла в окнах, но и на все живое вдоль трассы его движения. К тому же высокоскоростные пассажирские воздушные суда отрицательно влияют на экологию: их полет сопровождается выхлопом опасных продуктов сгорания в атмосфере, разрушением озонового слоя Земли, образованием вредных окислов.
Однако не только большими скоростями и огромным тоннажом привлекают самолеты людей. В настоящее время становится реальным и широкое использование аппаратов малой авиации, включая самодельные. В этом случае на первое место выходят вопросы безопасности машин. И совсем уж экзотическими выглядят крошечные самолеты*, построенные на основе нанотехнологий. Область применения их очень широка: тут и мониторинг окружающей среды, и наблюдения за сохранностью зданий, и контроль за составом воздуха, состоянием лесных массивов и т.д.
В целом же, по мнению многих участников "круглого стола", важна комплексность подхода к созданию любого самолета. Необходимо рассматривать его как своего рода живой организм. И тогда за такую заботу он ответит улучшением нашей жизни, сделает ее более комфортной.
Маслов А. Самолеты и двигатели будущего. - "Наука в Сибири", 2007, N 25
Материал подготовил Ярослав СИБИРЦЕВ
* См.: Е. Соколов. Микросамолеты. - Наука в России, 2006, N 3 (прим. ред.).
Большой интерес вызвали сообщения академиков Виктора Панина (Институт физики прочности и материаловедения, Томск) и Александра Реброва (Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе, Новосибирск), других известных ученых из Сибири. Они затрагивали широкий круг проблем - от создания наноструктурных материалов до их реального применения, от лазерных технологий резки материалов до их сварки, от оценки экономических затрат на строительство воздушных судов до характеристики экологических проблем.
Жаркий спор разгорелся при обсуждении возможностей использования аэродинамических труб и стендов для наземного моделирования элементов перспективных самолетов и авиационно-космических двигателей. Известно, что при увеличении скорости полета до гиперзвуковой этот подход малоинформативен. В данном случае требуются математические методы. И современная вычислительная техника позволяет предсказать основные параметры и характеристики самолета с точностью, достаточной для инженерных нужд.
Конечно, упор на создание гиперзвукового летательного аппарата делается на конкретные испытания. Именно в них проверяют эффективность предложенных физических и математических методов, в результате чего можно понять механизмы взаимодействия потока воздуха с самолетом, ответить на многие частные вопросы, возникающие в ходе конструирования и испытания машины. Кстати, воспроизвести натурные параметры гиперзвукового полета очень непросто. Высокие температуры (несколько тысяч градусов), мощнейшие давления (до тысяч атмосфер) нельзя поддерживать в наземных устройствах долгое время. И тогда на помощь приходят аэродинамические трубы кратковременного действия с рабочим промежутком всего в несколько миллисекунд (и даже микросекунд!). Развитие скоростных методов измерения, быстродействующие вычислительные комплексы позволяют не только собрать огромный объем информации, но и быстро ее обработать.
Разумеется, при создании таких экспериментальных устройств возникает много сложностей. В частности, очень сложно ввести в поток нужное количество энергии. Рассматриваются различные способы нагрева этого потока: применение тяжелых поршней для быстрого его сжатия и тем самым повышения температуры, энергии лазерного излучения, магнитогидродинамических (МГД) устройств, электрических разрядов большой мощности и др.
Альтернативный способ рассмотренного экспериментирования заключается в использовании баллистических трасс, где модель выстреливают с необходимой скоростью в длинную (несколько сот метров) трубу; за время полета в ней измеряют аэродинамические характеристики.
Впрочем, и при небольших скоростях, важных для современных коммерческих лайнеров, аэродинамические трубы дают много полезных сведений. Однако тогда необходимо увеличивать размеры их рабочих частей в несколько десятков метров. Реализация соответствующих проектов требует значительных
стр. 68
средств и затрат, что не под силу отдельно взятой стране. Не случайно для координации деятельности в данном направлении ныне создают межгосударственные рабочие группы и комитеты.
Участники "круглого стола" особо выделили проблему моделирования перспективных авиационных моторов - важнейшее звено строительства гиперзвуковых летательных аппаратов, достигающих от 5 до 15 скоростей звука и больше. Для этого необходим принципиально новый прямоточный воздушно-реактивный двигатель, который в качестве окислителя может использовать атмосферный воздух. Но реализовать идеи сложно, так как, во-первых, непросто снизить скорость последнего до его поступления в камеру сгорания; во-вторых, трудно перемешать топливо и окислитель и добиться полного сгорания горючей смеси. Образно говоря, надо умудриться не только воспламенить спичку на очень сильном ветру, но и удержать процесс горения до конца. Тем не менее специалисты уже рассматривают различные способы работы таких двигателей. Доказано, что их возможности удастся существенно расширить, используя нестационарные процессы повышения эффективности камеры сгорания. Другое предложение - создание мотора, работающего на непрерывной спиновой (волновой) детонации.
Вместе с тем нельзя забывать, что рассматриваемые гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели ограничены по скорости и высоте полета. И, скажем, для выхода их в космос целесообразно применять двухступенчатые конструкции: на первой ступени действует самолет с указанным мотором, на второй - возвращаемый аппарат с ракетным двигателем (по этому принципу недавно работал американ-
стр. 69
ский демонстратор Х-43 - небольшая модель длиной около 4 м, полет которой длился около 12 с). Но обошелся этот аппарат в несколько сотен миллионов долларов.
Словом, если серьезно подходить к решению задачи использования самолетов с такими гиперзвуковыми установками, сделали вывод участники "круглого стола", то необходимо сотрудничество разных стран. Наиболее перспективным может быть объединение усилий Евросоюза и России.
Ученые и специалисты, собравшиеся в Новосибирске летом 2007 г., обсуждали и проблему повышения ресурса летательных аппаратов. Во многом это вопрос технологии изготовления соответствующих узлов машин. Сейчас они цельносварные, причем операцию проводят с помощью лазера, и, к сожалению, нередко около сварочного шва нарушается структура материала, не хватает данных об усталостной его прочности. По мнению многих исследователей, повысить надежность соединений можно комбинацией различных способов подвода энергии ко шву (ультразвук, холодная плазма, поток электронов) и применением нанотехнологий. Кроме того, нанесение наноструктурных покрытий позволит в разы повысить срок годности узлов самолета.
И еще одна актуальная задача - уменьшение уровня звука, исходящего от двигателей и элементов конструкции летательного аппарата. Ударные волны, сопровождающие полет сверхзвукового самолета, оказывают негативное воздействие не только на здания и сооружения около аэропорта, разбивая стекла в окнах, но и на все живое вдоль трассы его движения. К тому же высокоскоростные пассажирские воздушные суда отрицательно влияют на экологию: их полет сопровождается выхлопом опасных продуктов сгорания в атмосфере, разрушением озонового слоя Земли, образованием вредных окислов.
Однако не только большими скоростями и огромным тоннажом привлекают самолеты людей. В настоящее время становится реальным и широкое использование аппаратов малой авиации, включая самодельные. В этом случае на первое место выходят вопросы безопасности машин. И совсем уж экзотическими выглядят крошечные самолеты*, построенные на основе нанотехнологий. Область применения их очень широка: тут и мониторинг окружающей среды, и наблюдения за сохранностью зданий, и контроль за составом воздуха, состоянием лесных массивов и т.д.
В целом же, по мнению многих участников "круглого стола", важна комплексность подхода к созданию любого самолета. Необходимо рассматривать его как своего рода живой организм. И тогда за такую заботу он ответит улучшением нашей жизни, сделает ее более комфортной.
Маслов А. Самолеты и двигатели будущего. - "Наука в Сибири", 2007, N 25
Материал подготовил Ярослав СИБИРЦЕВ
* См.: Е. Соколов. Микросамолеты. - Наука в России, 2006, N 3 (прим. ред.).
Опубликовано 05 июля 2014 года
Новые статьи на library.by:
ТЕХНОЛОГИИ:
Комментируем публикацию: НА ЧЕМ ПОЛЕТИМ ЗАВТРА?
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1404586685 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций