perfektsionistor

28 июля 2017 года новый американский авианосец «Джеральд Форд» впервые запустил палубный самолёт с помощью электромагнитной катапульты EMALS. Спустя полтора часа после этого самолёт совершил успешную посадку на палубу авианосца с торможением системой электромеханического аэрофинишера AAG. До этого самолёты взлетали с палуб авианосцев с помощью паровых катапульт, но это не стипманк — это вынужденная мера. Правда, с электромагнитными катапультами начались другие проблемы.

Согласно опубликованным за 2023 год Министерством обороны США данным, система электромагнитного катапультирования начинает испытывать серьёзные проблемы с обслуживанием после каждых 614 взлётов, тогда как контрольный показатель ВМС США требует совершать 4000 взлётов. Ещё большую тревогу вызывает частота отказов системы торможения: после каждых 46 посадок происходит одна системная неисправность, а это означает, что значительная часть истребителей, запущенных с авианосца, рискует разбиться при приземлении.

Электромагнитная катапульта на американских авианосцах представляет собой линейный индукционный двигатель. В состав пускового устройства включена тележка для зацепа с передней стойкой шасси самолёта. Эта тележка движется между двумя направляющими с электромагнитами. Электромагнитны включаются и отключаются поочерёдно, разгоняя тележку до взлётной скорости.

Китайский вариант электромагнитной катапульты намного проще, хотя в Китае также разрабатываются катапульты на базе рельсотронов. Возможно, когда-нибудь рельсотроны тоже скажут своё слово, но электромагнитные катапульты для зарождающегося авианесущего флота Поднебесной нужны были ещё вчера, поэтому рабочим будет наиболее простое, надёжное и недорогое решение. И его нашли… в электромобилях.

Как сообщают китайские СМИ, в одном из февральских номеров ведущего журнала китайских артиллеристов и ракетчиков — Acta Armamentarii — опубликована статья с рассказом о создании и испытании прототипа электромагнитной катапульты с приводом от электрического двигателя (оригинальная статья на китайском полностью доступна по этой ссылке). СМИ утверждают, что примером для разработки послужили электромобили с электродвигателями на каждом колесе. Например, это реализованная компанией BYD концепция yi si fang (четыре стороны). В таком случае в специальных тормозных колодках нет нужды. Торможение происходит самим двигателем (как и рекуперация).

Предложенная командой учёного Е Лежжи (Ye Lezhi) с факультета машиностроения и энергетики Пекинского технологического университета электромагнитная катапульта представляет собой огромный маховик, приводящийся в движение электродвигателем с сильным крутящим моментом. Когда самолёт цепляется к стартовой системе, электромагнитная муфта соединяет маховик с «приводным» колесом, которое наматывает стальной трос с пусковой системой и разгоняет самолёт.

Согласно испытаниям прототипа, катапульта способна разгонять 30-т самолёт до скорости 70 метров в секунду за 2,1 секунды. Это почти вдвое превышает вес истребителя J-20. Для сравнения, традиционным системам электромагнитной катапульты авианосцев обычно требуется более трёх секунд, чтобы разогнать 13-тонный истребитель до 66 метров в секунду. Новое устройство также может полностью остановить самолёт, приближающийся со скоростью 72 метра в секунду, за 2,6 секунды, что полностью соответствует требованиям военных.

С помощью подобной катапульты в авианосец можно превратить любой корабль с палубой от 100 м. Она не занимает много места и проста в установке. Испытания прототипа доказали состоятельность проекта и можно ожидать его скорого воплощения на флоте. С её помощью авианосцев во флоте КНР может стать больше и разных. Но главное, что система обещает быть безотказной, как автомат Калашникова, что для интенсивного применения главнее всего. Тот же «Джеральд Форд» не может находиться в море дольше двух недель. Так нельзя.

Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.

Стало известно, что давно планируемое строительство первого в США масштабного атомного реактора на быстрых нейтронах начнётся в июне 2024 года. Заявка будет подана регулятору в текущем месяце. Работы по проекту начнутся в любом случае в июне, даже если регулятор не успеет выдать разрешение, как пояснил изданию Financial Times исполнительный директор компании TerraPower Крис Левеск (Chris Levesque), которая будет возводить объект, кстати, бывший офицер-подводник, служивший на атомной субмарине ВМФ США.

А чего это они такие дерзкие, спросит читатель? Потому, что у них во главе боевой офицер? Это вряд ли. Основателем TerraPower считается Билл Гейтс, а его партнёром по дальнейшей эксплуатации объекта станет Уоррен Баффет. Оба в бизнесе — как адмиралы всего флота США вместе взятого. Разве таким уважаемым людям что-то запретишь?

На самом деле, создание объекта — это дело давно решённое. Формально связанные с атомной безопасность работы там начнутся ещё нескоро. Поэтому можно начинать подготавливать инфраструктуру — подводить дороги, тянуть линии электропередачи, строить подстанцию, канализацию, водопровод и всё, что положено. Кое-что на месте уже есть. Новая АЭС будет строиться рядом со старой угольной электростанцией Naughton вблизи города Кеммерер в штате Вайоминг. Эта площадка выбрана несколько лет назад и прошла всю процедуру сбора разрешений на размещение объекта атомной промышленности — сейсмическую, геологическую, природоохранную и другие, положенные процедуры. Пакет документов собран и необходима простая формальность — получение лицензии на строительство от национального регулятора.

С некоторыми задержками запрос на строительство объекта компания должна была подать в середине 2023 года. Но проблема возникла за год до этого и связана она с отсутствием у США возможности производить топливо для перспективных атомных реакторов. Нюанс в том, что мировым монополистом на такое топливо — HALEU или металлическое высокопробное низкообогащённое урановое топливо (обогащённый до 20 % уран-235) — является Россия. После февраля 2022 года США начали искать возможность заменить РФ в цепочке поставок HALEU, и это естественным образом внесло коррективы во все связанные с ним планы.

В США пытаются развернуть собственное производства этого топлива, но пока получается не очень. В принципе, до конца десятилетия в стране появится такое производство, но оно вряд ли сможет удовлетворить более 20 % потребностей местного рынка. Та же компания TerraPower в октябре 2022 года вместе с партнёром в лице компании Global Nuclear Fuel-Americas (GNF-A) заложили строительство завода по изготовлению топлива для своего перспективного реактора Natrium и других проектов. Где они будут закупать сырьё HALEU, не сообщается. Не исключено, что у нынешнего поставщика — дочернего предприятия «Росатома» компании АО «Техснабэкспорт» под торговой маркой TENEX.

Ядерные реакторы на быстрых нейтронах, один из вариантов которого будет реализовывать в Вайоминге компания Билла Гейтса, перспективные с точки зрения намного более полного использования ядерного топлива вплоть до условно безотходной технологии. Особенно далеко по этому пути прошёл «Ростатом». Так что США сейчас догоняют, как, кстати, и Франция. Собственно строительство реактора Natrium — это ответ на современные и достаточно компактные реакторы — так называемые малые модульные, которые уже построены и эксплуатируются в России и в Китае (по одному в каждой стране, в РФ — это ПАТЭС «Академик Ломоносов»). Сейчас в мире растёт запрос на ядерную энергетику, и малые реакторы попрут как грибы после дождя, особенно в Африке. США хотят быть конкурентоспособными на фоне России и Китая.

В последнем предложении ответ, почему компания TerraPower чувствует себя уверенно в этом проекте. За нею стоит Белый дом и даже без разницы, кто там сидит в Овальном кабинете. Да, федералы пообещали TerraPower грант на сумму $2 млрд на строительство АЭС. Ещё $1 млрд она собрал от инвесторов. Строительство займёт около семи лет. Судя по всему, станция будет запущенна не раньше 2031 года. Учитывая, что это экспериментальный проект, строительство может ещё затянуться на год-два или дольше.

Электростанция Natrium будет считаться малой и, с некоторой натяжкой, модульной. Её электрическая мощность будет достигать 345 МВт электрической мощности. После ввода в строй она будет введена в коммерческую эксплуатацию коммунальным предприятием PacifiCorp — это дочернее предприятие Berkshire Hathaway принадлежее Уоррену Баффету. Поскольку теплоносителем на АЭС будет не вода, а расплав нагретых до 900 °C солей натрия, есть возможность создать буферный накопитель ёмкостью 500 МВт. Этот буфер можно будет использовать для производства электроэнергии в качестве резервного.

Использование в качестве теплоносителя расплава солей исключает взрывные утечки радиоактивного материала, чем опасны водные реакторы. В то же время, при контакте с водой расплав солей натрия крайне опасен, но это легче контролировать, поэтому ожидается, что менее жёсткие меры безопасности на реакторах с солевыми расплавами сделает их строительство примерно в два раза дешевле, чем обычных АЭС на воде. Также очевидно, что по мере развития проекта все последующие АЭС будут дешевле первых и, особенно, первой экспериментальной установки.

Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.

Европейское сообщество продолжает демонстрировать деградацию и потерю компетенции во всех сферах сложного промпрпоизводста. Возможно, последней каплей в этом нескончаемом эпик фейле в проекте ИТЭР (ITER) стало выявление прошлым летом сварщиков с поддельными сертификатами. Работы велись лицами, не имеющими соответствующего допуска и (или) опыта. У руководства проекта не было претензий к качеству выполняемых ими работ, но сам факт найма людей не имеющих подтверждения необходимой квалификации как бы настораживает. И заставляет задать вопросы руководству. Вот только прежний директор проекта Бернар Биго скончался в мае 2022 года, а новый мог быть не в курсе. Впрочем, виноваты всегда предшественники. Это удобно.

Проект ИТЭР, напомню, это создание полномасштабной установки по запуску самоподдерживающейся термоядерной реакции. Комплекс на юге Франции не будет вырабатывать электрическую энергию. Потом — к середине 30-х годов — на основе ITER будет создан проект и начнётся строительство опытной термоядерной электростанции DEMO. На площадке ITER и опытном реакторе будут испытаны основные подходы к управлению реактором и реакциями, что потом будет перенесено на проект электростанции. Собственно, поэтому ITER будет сверхдорогим. Он утыкан научными приборами как ёжик иголками. В коммерческих реакторах такого не будет.

Научной задачей проекта ИТЭР ставится непрерывное удержание полученной от топлива плазмы температурой 150 млн °C в течение 400 секунд. При этом вырабатываемая реактором типа токамак мощность должна достигать 500 МВт при мощности запуска 50 МВт. Вся она будет, повторю, рассеяна, а не отправлена на выработку электричества или передачу тепла. Тем самым реактор должен продемонстрировать выход энергии 1:10. Строго говоря, это будет не совсем так, поскольку на поддержание работы сопутствующего оборудования будет уходить не менее 300 МВт дополнительной энергии. Но она в расчёт не идёт.

Создание ИТЭР затянулось на годы и сильно увеличилось в стоимости. Первоначально закладывалась сумма в 5 млрд евро. Теперь она выросла минимум в четыре раза, и будет увеличиваться дальше. Согласно последним планам, первая плазма должна был быть получена в реакторе в 2025 году. Эти сроки назывались как новые после трёх или четырёх предыдущих переносов сроков. Назначенный с сентябре 2022 года новым директором Пьетро Барабаски вскоре после занятия высокого поста сообщил, что планы работ по проекту будут пересмотрены в сторону увеличения. А вскоре пришла беда, откуда не ждали.

Рабочая камера или вакуумный сосуд реактора разделён на секции, чтобы его можно было производить по частям. Это слишком большое и тяжёлое оборудование для изготовления цельным изделием. Так, внутренний объём камеры составляет 1400 м3. Внешний диаметр камеры —19,4 м, а высота — 11,4м. Масса изделия достигает 5200 тонн. С полной обвязкой не считая охлаждения и магнитов, камера будет весить 8500 т. Для удобства производства камеры и последующей сборки в шахте реактора её как пирог разделили на 9 одинаковых секторов. Четыре из них производятся в Южной Корее, а пять в Евросоюзе.

Корейцы первый сектор отправили на площадку и его два года назад даже успели опустить в шахту для монтажа, и тут выяснилось удивительное. Оказалось, что части «пирога» не совпадают, чтобы их можно было сварить по контуру. Где-то металла больше, а где-то меньше. Наконец, сваривать по контуру должен был робот, и он офигел от поставленной задачи, хотя сварщики без сертификатов наверняка оказались бы сговорчивее. Но их уволили летом 2023 года.

По самым скромным прикидкам необходимо убирать или наращивать, в зависимости от финальной формы секции, до нескольких сотен килограммов металла. Очевидно, что в шахте такое сделать нельзя. Необходимо извлекать уже опущенную туда секцию наверх и заниматься коррекцией геометрии этой секции и других в цехе предварительной подготовки. Попутно также выяснилось, что трубы охлаждения на экранах охлаждения рабочей камеры местами потрескались. К этому, похоже, отчасти привела некачественная сварка или недостаточная очистка после шлаков — произошло окисление и растрескивание. Экраны и трубы придётся изготавливать заново (нужно будет заменить 23 км труб). В интервью СМИ новый директор сказал, что это может на годы отодвинуть завершение работ по проекту.

С тех пор руководство ИТЭР, французские безопасники (проект-то на их территории) и эксперты всех стран участниц проекта, включая Россию, вырабатывают решения, как исправить ситуацию, кто будет этим заниматься и сколько это будет стоить. Поиск решения затянулся на год, как минимум. О новых планах должны были объявить ещё до нового года. Недавно в ИТЭР заявили, что совет проекта примет на рассмотрение новые графики работ на своём заседании в июне 2024 года.

А теперь мы возвращаемся к китайцам. Сегодня стало известно, что контракт на сборку злополучных секций вакуумной камеры поручен китайско-французскому консорциуму TAC-1. Консорциум создан в 2019 году между дочерней компанией Китайской национальной ядерной корпорации China Nuclear Power Engineering и французской корпорацией Framatome. Успехи китайской науки и CNPE в частности неоспоримы. Китай строит и активно испытывает термоядерные реакторы у себя в стране. Участие французской Framatome в будущих работах можно считать данью уважения европейцам. Но раз они вынуждены были подписать китайцев на эти работы, дела с этим в Европе, очевидно, обстоят не очень хорошо. При этом надо понимать, что Китай понемногу подталкивают к изоляции, хотя та же изоляция России не вывела её за рамки ИТЭР. РФ продолжает активно участвовать в проекте и изготавливает свою часть материального взноса в ИТЭР.

Китай присоединился к проекту ИТЭР в 2006 году и выполнил до двух десятков сложных задач по нему или готовясь к ним, включая сборку криостата и теплозащитного экрана криостата, магнитных питателей, центрального соленоида, магнитов полоидального поля и корректирующей катушки, а также охлаждающих конструкций и контрольно-измерительных приборов. Китайские учёные и инженеры показали, что они могут и готовы доводить такие проекты до запуска. Похоже, они также соберут для сообщества ИТЭР один из самых ответственных узлов проекта, на который у европейского подрядчика не хватило силёнок.

Также не следует забывать, хотя это несколько другая история, китайская компания China General Nuclear приглашена в консорциум с французской Électricité de France (EDF) для восстановления сети атомных электростанций в Великобритании. Но этот факт также служит лишним свидетельством того, что Китай развил технологии и опыт и готов транслировать это на самые передовые проекты в энергетической сфере. В отличие от Старого Света его инженерные и рабочие кадры на подъёме.

Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.

В мае 2023 года в газете министерства обороны США Stars and Stripes вышла заметка, в которой сообщалось о проблемах с охлаждением двигателей и авионики истребителя пятого поколения F-35 Lightning II. Было сказано, что «система охлаждения перегружена, требуя, чтобы двигатель работал сверх проектных параметров». Позже стало известно, что в проекте самолёта система охлаждения изначально закладывалась мощностью 14 кВт. После запуска самолётов в серию внезапно выяснилось, что от бортовых систем нужно отводить до 32 кВт тепла. Но для полного счастья эту цифру нужно было почти утроить!

Согласно майскому рапорту Управления государственной отчетности, пятнадцать лет назад компания Lockheed обнаружила, что система охлаждения поколения Block 3F F-35 оказалось недостаточной для отвода тепла в штатном режиме работы. От электронного оборудования самолёта понадобилось отводить до 32 кВт тепловой мощности вместо заложенных в проекте 14 кВт. Вопрос решили просто — увеличили отбор воздуха от двигателя самолёта, который нагнетал воздух в систему воздушно-жидкостного охлаждения бортовых систем. Двигателю такое не понравилось и он начал быстрее изнашиваться, а также чаще требовать техобслуживания. А ведь к этому моменту были произведены сотни самолётов.

По самым скромным подсчётам дополнительный нагрев увеличивал износ двигателя, сокращал его ресурс и увеличивал расходы на техническое обслуживание на $38 млрд. Вероятно, в год. Но настаивать не буду.

Производитель системы контроля питания и охлаждения (PTMS) — компания Honeywell — разработала новый вариант системы охлаждения примерно вдвое большей мощности. На какое-то время это спасло бы положение. Однако программа перевооружения F-35 со временем потребовала бы снова увеличить мощность системы охлаждения. В перспективе от нового нагромождения электроники потребовалось бы отводить свыше 60 кВт тепла. Нужно было что-то кардинально новое. Honeywell сопротивлялась этому как могла, утверждая, что система обслуживания штатных PTMS и комплекса отвода тепла на её основе отработана, знакома обслуге и поддержана запчастями. Как говорили в таких случаях в СА: «Не трогай технику, и она не подведёт!»

И всё же, от работы с Honeywell в этом направлении, похоже, будут отказываться. Свою систему PTMS, совместимую с F-35, предложила компания Collins Aerospace. В конце января 2024 года стало известно, что она успешно протестировала свою систему охлаждения F-35 мощностью 80 кВт.

Трудно сказать, почему систему отвода тепла от электроники новейшего истребителя не сделали с запасом. Его бортовые системы получают всё новые и новые модули, и это было известно заранее. В рамках текущей программы модернизации Block 4 потребность в системе охлаждения увеличилась до 47 кВт. Более того, секретные обновления, запланированные на 2030-е годы, могут повысить потребность в охлаждении как минимум до 62 кВт, возможно, даже до 80 кВт.

Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.

Старейшая англоязычная газета Гонконга South China Morning Post сообщила, что китайские учёные создали работающий прототип микроволновой пушки на двигателях Стирлинга. Только представьте себе это чудо инженерной мысли в кузове грузовика (а она мобильная). Покрытые инеем хромированные части, окутанная клубами пара, ощетинившаяся излучателями. Настоящий стимпанк!

Двигатели Стирлинга работают с любым внешним источником тепла. У них замкнутое пространство для рабочего тела — газа или жидкости. По большому счёту под ними можно развести костёр и они начнут, например, вырабатывать электрическую энергию, если внутри установить линейный генератор. В случае микроволновой пушки двигатели Стирлинга в количестве четырёх штук работают как холодильники и, по-видимому, как генераторы. Сочетание технологий позволяет орудию работать непрерывно четыре часа. Как уверяют китайские учёные, благодаря двигателям потребление боевой микроволновой платформы составляет всего 1/5 часть от потребления похожих микроволновых пушек в случае батарейного, генераторного или сетевого питания.

Установка разработана учёными Северо-Западного института ядерных технологий в Сиане и Института электротехники Китайской академии наук в Пекине. В посвящённой разработке статье в журнале High Power Laser and Particle Beams, на который ссылается издание SCMP, утверждается, что пушка будет способна выводить из строя не только беспилотники, но также самолёты и даже спутники. Она способна вести огонь в движении на большой скорости из кузова грузовика, что сделает комплекс трудным для поражения противником.

Основой платформы стала сверхпроводящая катушка, создающая постоянное магнитное поле напряжённостью 4 Тесла. К примеру, это в 68 тыс. раз сильнее, чем напряжённость магнитного поля Земли. Даже Большой адронный коллайдер с кольцом ускорителя диаметром 27 км создаёт магнитные поля всего лишь в два раза сильнее. А здесь установка на колёсах. Она далека от совершенства, признаются разработчики, но следующие прототипы будут всё лучше и лучше. И когда-нибудь что-то подобное может быть принято на вооружение.

Чтобы двигатели Стирлинга могли отбирать тепло от сверхпроводящей катушки, для её изготовления был выбран такой высокотемпературный сверхпроводник, как редкоземельный оксид бария-меди (ReBCO). Двигатели Стирлинга не будут работать, если их остудить до температуры на 40-50 градусов Цельсия выше абсолютного нуля. Материал ReBCO обладает сверхпроводимостью как раз в этом диапазоне температур и необходимые для работы двигателей Стирлинга условия были соблюдены.

Редкоземельный оксид бария-меди китайцы традиционно покупали в США или у их союзников. Тогдашний президент США Дональд Трамп ввёл запрет на поставку в Китай этого материала, других и оборудования для их производства. Китайцам пришлось самим осваивать производство ReBCO, с чем они успешно справились. Более того, сейчас американские компании закупают ReBCO у китайского производителя Shanghai Superconductor, убедившись в лучшем качестве этой продукции в Китае, а не у производителей в США.

К концу года Shanghai Superconductor обещает нарастить выпуск ленты ReBCO до 2000 км в год. Китаю ещё левитирующе скоростные поезда на сверхпроводящих магнитах строить, поэтому ленты нужно не просто много, а очень много. И для термоядерных реакторов сверхпроводящие магниты тоже нужны. В общем, не пушками едиными.

Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.