Авиация – один из крупнейших источников выбросов вредных веществ. Особенно это касается оксидов азота, которые выделяются в процессе сгорания топлива. Его высокие концентрации опасны для человека, при длительном воздействии эти газы приводят к воспалению дыхательных путей, бронхиту и онкологиям. Особенно в группе риска находятся жители крупных индустриальных городов. Наибольшую опасность оксиды азота представляют в качестве активного компонента смога. Создание экологичных авиадвигателей требует совершенствования систем автоматического управления. Особую сложность представляет управление камерой сгорания газотурбинного двигателя, так как необходимо соблюдать баланс между их стабильной работой и минимизацией выбросов. Ученые ПНИПУ разработали систему, которая снижает концентрацию выбросов оксидов азота более чем на 3% и повышает экологическую эффективность при стабильной работе камеры сгорания.
william hook unsplash
Исследование опубликовано в журнале «Мехатроника, автоматизация, управление», том 25, №5 за 2024 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Камера сгорания – одна из самых важных частей газотурбинной установки, в которой внутренняя энергия топлива превращается в энергию горячего газа для работы турбины. Это происходит, когда для сжигания топлива используют окислитель (кислород воздуха), поступающий под высоким давлением после компрессора. При этом образуются газообразные продукты сгорания высокой температуры, в том числе оксиды азота.
Для устойчивой работы камеры сгорания в авиадвигателе важно, чтобы она поддерживала оптимальное соотношение топлива и воздуха на разных режимах. Требования экологии сужают область этого соотношения. При этом управление концентрацией выбросов может привести к неустойчивому горению пламени камеры сгорания и нарушениям в работе двигателя.
Отечественные и зарубежные ученые уже внесли вклад в снижение выбросов оксидов азота, исследуя автоматическое управление силовых установок, однако в существующих работах при проектировании регуляторов не учитываются многие требования, например, на затрачиваемые ресурсы и на время работы в «жестком реальном времени» (гарантированное время отклика системы на конкретное событие). Эти показатели тоже влияют на выбросы азота и устойчивость горения пламени в камере сгорания.
Ученые Пермского Политеха представили новый подход к управлению камерой сгорания авиадвигателя и разработали модель этой системы. Решение подразумевает коррекцию расхода топлива между коллекторами камеры сгорания за счет введения обратной связи по оксидам азота в систему автоматического управления двигателем. По задумке информация о состоянии двигателя поступает в электронный регулятор, который обрабатывает ее и формирует управляющее воздействие. Устойчивость горения при этом обеспечивается равномерным перераспределением топливовоздушной смеси с помощью коллекторов.
В рамках современного подхода к мониторингу и снижению выбросов оксидов азота в двигателе ученые ПНИПУ предложили использовать два адаптивных нейронных измерителя.
Первый нейронный измеритель настроен на границу, близкую к «виброгорению», с 10%-ным запасом по устойчивости. Это означает, что он работает в диапазоне, где выбросы оксидов азота минимальны. Значение, выдаваемое этим измерителем, является эталонным для системы. Такой подход позволяет поддерживать выбросы на минимальном уровне и обеспечивать оптимальные экологические показатели. Второй измеритель, основанный на нейронной сети, отвечает за мониторинг текущих значений оксидов азота в реальном времени. Его задача — непрерывно фиксировать фактические показатели и передавать их в систему контроля.
– Значения, полученные от двух нейронных измерителей, сравниваются и анализируются. Если текущее значение оксидов азота, определенное вторым измерителем, отклоняется от эталонного значения первого, то система автоматически корректирует расход топлива. Именно этот показатель в совокупности с температурой в камере сгорания напрямую влияют на выбросы. Разработанный регулятор в автоматическом режиме перераспределяет топливо между коллекторами. Таким образом достигается баланс между экономичностью процесса и соблюдением экологических норм, – рассказывает доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматики и телемеханики Александр Южаков.
Использование двух адаптивных нейронных измерителей в системе контроля выбросов оксидов азота представляет собой инновационный и эффективный метод управления вредными выбросами. Это не только способствует улучшению экологической обстановки, но и помогает предприятиям соответствовать требованиям законодательства и стандартам по охране окружающей среды.
– Результаты моделирования уже подтвердили эффективность разработанного нами метода. Благодаря разработке выброс оксидов азота можно уменьшить с 2,14 до 2,06 кг, это примерно 3,74%. Эти цифры значимы для создания современных систем управления процессом горения авиадвигателей нового поколения, – подводит итогассистент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ Вячеслав Никулин.
Ученые Пермского Политеха представили новый подход к управлению камерой сгорания авиадвигателя. Внедрение дополнительного регулятора позволит снизить выброс оксидов азота более чем на 3%, уменьшить затраты на управление авиадвигателями и оптимизировать их работу с пользой для экологии.
Лопатка – ключевая деталь современных авиадвигателей. Ее создание требует сложных расчетов при проектировании, высокой точности в производстве, а также дорогостоящего оборудования и редких металлов. При изготовлении лопаток газотурбинных двигателей инженеры сталкиваются с проблемой несоответствия размеров получаемых изделий с заложенными размерами по техническому процессу – толщина превосходит номинальную на 20%. Это влечет за собой использование дополнительных ресурсов: обработка на большинстве машиностроительных предприятий производится вручную, временные затраты значительно увеличиваются, ручной труд не дает стабильных размеров. Ученые ПНИПУ разработали модель для определения причин возникновения отклонений размеров лопатки после штамповки и предложили способ предотвращения этой проблемы. Исследование поможет повысить точность геометрии изделий, уменьшить стоимость производства и затрачиваемые ресурсы.
Результаты исследований опубликованы в сборнике Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации», 2023 г. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Лопатки газотурбинного двигателя изготавливают методом горячей объемной штамповки. При этом способе изделия производят с помощью специальных инструментов – штампов. Нагретую до ковочной температуры металлическую заготовку помещают между ними, «зажимают» и таким образом получают необходимую форму.
Рабочие поверхности штампов испытывают большие нагрузки. Из-за этого возникают деформации в инструменте, что негативно сказывается на точности геометрии получаемых лопаток. Эффект влечет за собой использование дополнительных человеко-часов, операций по обработке изделий и дорогостоящего оборудования, что, в конечном счете, отрицательно влияет на время изготовления продукта. Прогнозирование и предупреждение нежелательных эффектов на начальных этапах производства поможет минимизировать затраты на устранение несоответствий получаемых лопаток.
Ученые Пермского Политеха разработали модель, которая дает возможность определить и исследовать причины возникновения деформаций при горячей объемной штамповке лопатки газотурбинного двигателя, а также детально рассмотреть движение металла и заполнение им ручья штампа – поверхности, которая служит для получения заготовки.
Возникновение утолщений на части лопатки возможно из-за эффекта запирания металла между штампами. Излишки металла (облой) при выходе из рабочей зоны резко начинают охлаждаться. При этом материал становится менее пластичным, скорость движения штампов падает. Они продолжают свое движение и давят на металл внутри рабочей зоны, а из-за того, что материалу некуда деться, повышается внутреннее давление. При этом металл давит на штампы и вызывает деформации на их поверхностях. Так как они уже не имеют своей начальной геометрии, заготовка на последних этапах штамповки получается с отклонениями по толщине.
Такой эффект отрицательно влияет не только на толщину заготовки, но также вызывает деформацию рабочих поверхностей штампов и истирание ручьев за счет течения металла от центра рабочей зоны к краям под большими давлениями. При запирании металла в штампе отклонение от номинальных размеров составляют 0,3 мм.
Политехники исследовали способы и этапы изготовления лопаток газотурбинных двигателей, применяемые инструменты для штамповки изделий, разные материалы и температурные режимы. Определили причины возникновения отклонений размеров лопатки после штамповки. Рассмотрели и описали эффект запирания.
– Мы рассмотрели различные варианты оптимизации геометрии штампов и заготовки. Наиболее эффективным способом повышения точности при моделировании показало уменьшение зазора между верхним и нижним штампом на величину допуска, при этом уровень отклонений снизился в 3 раза от реальных и на 25-30% меньше допускаемых. Также можно отметить, что наращивание толщины штампа для уменьшения зазора при серийном производстве является более экономически выгодным, в отличии от дополнительной механической обработки каждой лопатки, – поделилась кандидат технических наук, доцент кафедры динамики и прочности машин ПНИПУ Елена Кузнецова.
Модель ученых ПНИПУ поможет в решении проблемы несоответствия размеров получаемых лопаток с заложенными размерами по техническому процессу. Это позволит избежать удорожания выпускаемой продукции, в частности перспективных, новых газотурбинных двигателей.
(Да, подобрать кликбейтное название для этой заметки сложно, так что берите что есть)
Итак, меня довольно давно не было, но вот я вернулась, и хочу рассказать о явлении, которое очень хорошо роняло первые поколения истребителей. Представьте: вот вы пилот, летите, никого не трогаете, примус починяете, и решаете набрать высоту. Для этого надо немного ускориться и параллельно чуть увеличить тангаж, что вы, собственно, и делаете. Увеличивая тягу РУДом, вы параллельно немного тянете рычаг управления на себя. Все идёт хорошо первые несколько минут, но тут рычаг полностью самостоятельно и с огромной силой уходит в положение "на себя" до упора и там замирает. Поздравляю вас, вы познакомились с явлением, именуемым "перекомпенсация руля высоты". Пока вы лихорадочно пытаетесь оттолкнуть рычаг в нормальное положение, а ваш самолёт переходит в устойчивый штопор, у как раз вас есть несколько минут падения до земли, так что давайте познакомимся с этим явлением поближе.
Схема расположения центра давления
Предварительно нужно определиться с такой штукой, как центр давления. Википедия говорит, что для крыла самолёта (а руль высоты это почти крыло) центр давления это точка, где пересекаются линия действия аэродинамической силы и плоскость хорд крыла. То есть такая точка на профиле крыла, куда, условно, действует аэродинамическая сила (равнодействующая всех сил, которые вы нарисуете летящему в воздухе самолёту). В общем случае центр давления умеет двигаться, и он меняет свое положение в зависимости от скорости самолёта и угла атаки (давайте сохраним остатки рассудка и не будем разбирать его движение).
Вторая штука, необходимая для понимания происходящего, это шарнирный момент. В авиации это момент, который действует на орган управления (руль высоты в нашем случае) относительно его оси вращения и который создаётся аэродинамической силой. В норме, шарнирный момент направлен против отклонения руля и стремится вернуть руль в нейтральное положение. То есть, руль высоты отклонен в балансировочное положение, отклонен вокруг центра вращения, в котором он закреплён и вокруг которого он крутится. Где-то на руле есть центр давления, куда действует аэродинамическая сила. Если центр давления и центр вращения НЕ совпадают, то сила создаст шарнирный момент. Этот момент стремится вернуть руль в нейтральное положение. Если ничего не понятно, не отчаивайтесь, это нормально, я в конце картинку поставлю. И ещё один важный, но не всегда очевидный нюанс: шарнирный момент зависит от угла отклонения руля и скорости полета (вообще там скоростной напор, но нафиг нам такие сложности), чем больше угол и больше скорость, тем больше шарнирный момент.
Схема роговой компенсации
Продолжаем наше вступление. На заре авиации самолёты были маленькие, и летали медленно. Шарнирные моменты на рулях были маленькие, и среднестатистический пилот мог спокойно их пересилить просто мощью своих мускулов (картинка накачанного пилота в летной форме 18+ без смс и регистрации разблокирована). В те старые добрые времена все рули были связаны с рычагом управления и педалями (да, у пилотов есть педали, почти как на машине) механически, системой тяг и качалок, то есть тупо тросиками, и все усилия с рулей пилот ощущал напрямую руками/ногами. Но время шло, аппетиты людей росли, скорости полета тоже. Настал момент, когда усилия на рулях выросли настолько, что даже тяжелоатлет не смог бы удержать рычаг управления. В систему управления самолётом вошли сначала бустеры (гидроусилители), а потом электроника. Довольно быстро выяснилось, что скорости полета (и величины шарнирных моментов) растут сильно быстрее мощности гидроприводов. И даже если привод достигает необходимой мощности, чтобы держать руль в необходимом положении на сверхзвуке (сорокатонные приводы руля высоты с Сушек одобряют), они тупо становятся слишком огромными. И приходится выбирать: либо мощный привод = тяжелый самолёт = хреново разгоняется, либо маленький привод = маленькая мощность = не сможет удержать руль, надо ограничивать скорость. Два стула, и оба плохие.
Схема компенсации триммером (и сервокомпенсации в целом)
Вы ещё тут? Продолжим. Инженеры не собирались мириться с двумя плохими стульями, они сделали третий, хороший: изобрели способы компенсации шарнирных моментов на рулях. Их есть аж несколько: осевая, роговая, внутренняя компенсация, сервокомпенсация и использование триммера. Кратко пробежимся по этим методам. (Держитесь, осталось немного).
Осевая компенсация состоит в том, что ось вращения расположена не на конце руля, а немного дальше, так, что часть руля остается вереди оси вращения. Тогда при отклонении руля передняя часть руля как бы отклоняется в другую сторону, и на ней создается момент противоположного знака. Снискала всеобщую любовь за легкость конструктивного исполнения и хорошую аэродинамику.
Роговая компенсация похожа на осевую, но тут впереди оси вращения остается меньший кусок площади, похожий на рог, откуда и пошло название. Этот кусок и создает компенсирующий момент. Так же прост в исполнении, но ухудшает аэродинамику, особенно на больших углах отклонения руля.
Внутренняя компенсация распространена большей частью на элеронах. В этом случае кусок профиля, примыкающий к оси вращения руля остается пустым и делится гибкой герметичной перегородкой (диафрагмой) на две полости. В полостях возникает разность давлений, действующая на диафрагму и создающая компенсирующий момент. Не вносит никаких возмущений в поток, что особенно ценится на сверх- и гиперзвуке, но ограничивает диапазон отклонений руля, особенно на тонком профиле.
Сервокомпенсация это использование небольших отклоняемых поверхностей на задней кромке основного руля. Этакий руль на руле. Компенсация триммером ‒ один из видов сервокомпенсации, он отличается тем, что применяется на установившихся режимах полета и полностью обнуляет шарнирный момент (все остальные виды компенсации его только уменьшают, но не убирают полностью).
Итак, мы добрались. У осевой компенсации есть один интересный и крайне опасный побочный эффект: если по каким-либо причинам центр давления уползет на компенсатор (та самая часть перед осью вращения), начнется треш.
Во-первых, руль (и рычаг управления тоже) моментально улетает в крайнее положение. Во-вторых, сразу же возникает обращение знака усилий на рычаге управления. Теперь, чтобы перевести рычаг из положения «на себя» в нейтральное, надо его ТОЛКАТЬ, тогда как в норме рычаг сам стремится туда и его надо ТЯНУТЬ. Это очень сильно осложняет управление и может привести к катастрофе. И в-третьих, пока летчик все это сообразит, самолет уже выйдет на критические режимы (штопор - земля - гроб - кладбище).
Примерная схема усилий на нормальном (а) и перекомпенсированном (б) руле. Видно, что в случае перекомпенсации момент направлен на увеличение угла отклонения руля
Поздравляю, вы познакомились с госпожой перекомпенсацией. А руль, соответственно, стал перекомпенсированным. Перекомпенсация это крайне опасная хрень, и ее стараются избегать всеми возможными и невозможными методами. Как когда-то я слышала на лекциях (за надежность инфы не ручаюсь), что на самолеты Сухого ставят охрененно мощные привода, способные пересилить возможную перекомпенсацию, а вот МиГ хитрее, они строят рули так, что на малых скоростях (и малых шарнирных моментах) они перекомпенсированы, но тогда они легко пересиливаются, а вот на больших скоростях рули становятся уже нормальными. Такая схема позволяет ставить более слабые и легкие приводы. В идеале, конечно, лучше перекомпенсацию вообще не допускать, но тут уж как повезет. Полет истребителя ‒ штука непредсказуемая.
Приятной вам посадки
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Детали производственных машин отливаются из стали. Их создание требует высокой точности и качества. Один из ключевых этапов изготовления – затвердевание отливки после ее заливки в форму. Его моделирование и анализ с использованием компьютерных систем позволяет улучшить качество и эффективность производства. Это снижает затраты и ускоряет процесс, поскольку отработка конструкции и ее параметров ведется не на реальных дорогостоящих плавках, а в виртуальном пространстве. Ученые Пермского Политеха разработали и проанализировали модели затвердевания отливок деталей «качалка» и «корпус насоса», которые широко применяются в авиации, чтобы определить оптимальные условия их создания.
Дмитрий Пустовалов
Исследование опубликовано в материалах I Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Передовые инженерные школы: материалы, технологии, конструкции».
Низкая стоимость и быстрота компьютерного эксперимента делают процесс моделирования неотъемлемой частью изготовления литых деталей. Отказ от него на этапе проектирования заготовки может повлечь дополнительные расходы на переоснащение производства. Особенно, если литейная технологическая оснастка была сделана только на основе предварительных аналитических расчетов и графического проектирования. Процесс моделирования позволяет заранее оценить возможные браки и выявить зоны образования дефектов в отливках, когда, например, образуются полости или появляются пузырьки.
В литейном производстве есть два понятия – прибыль и припуск. Прибыль – это часть литой заготовки, габариты которой выступают за пределы требуемых размеров. Она нужна, чтобы подпитывать отливку жидким металлическим расплавом в ходе затвердевания. Припуск – это толщина слоя металла, удаляемая с поверхности отливки при ее обработке, чтобы обеспечить нужный размер, форму и параметры шероховатости на поверхности детали. Эти понятия тесно связаны с качеством работы, поэтому требуют внимания. Вычислить их можно при помощи моделирования.
Для создания моделей политехники применяли систему компьютерного моделирования литейных процессов «СКМ ЛП Полигон», в которой задали основные параметры для деталей – температуру сплава, формы и окружающей среды. Свойства сплава и материала устанавливались из базы данных программы.
Ученые ПНИПУ разработали модели двух деталей и получили результаты с выявленными зонами образования усадочных дефектов в теле отливки. Они провели анализ затвердевания деталей «качалка» и «корпус насоса». Первая из них представляет собой элемент управления элеронами – частями крыльев самолета, служащими для поворотов. Вторая – деталь насоса перекачки жидкостей (топливо, реагенты, охлаждающие жидкости), которая тоже применяется в авиации. Разработанные политехниками технологические схемы подходят для изготовления деталей с аналогичными свойствами.
– Первичное моделирование показало, что из-за недостаточности объемов прибылей в теле отливки образовались концентрированные усадочные раковины. Это полости, образующиеся в самых массивных частях, окруженных более тонкими элементами, которые неизбежно привели бы к браку отливки. В связи с этим мы приняли решение об увеличении размеров прибылей на 10% для детали «качалка» и 30% для детали «корпус насоса», что в итоге позволило без труда исключить образование дефектов усадочного характера, – объясняет начальник отдела «Учебный офис» Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» ПНИПУ Дмитрий Пустовалов.
Ученые Пермского Политеха разработали модель процесса затвердевания отливок стальных деталей самолета. Она позволяет улучшить качество и скорость производства, а также сократить расходы на исправление брака.
Мы отстали от США по вертолетам. — Разговор с конструкторами в правительстве. — Меня и Миля взяли в оборот. — Винтокрылые летательные аппараты и их история. — Наше КБ строит самый большой в мире вертолет. — Тряска кажется непреодолимой. — Болезнь излечивается очень просто. — «Летающий вагон» принят в серию. А.С. Яковлев.
Наше конструкторское бюро (КБ Яковлева) в течение трех десятков лет своего существования занималось в основном истребителями и учебно-тренировочными самолетами. Поэтому, когда газеты опубликовали сообщение, что гигантский вертолет «летающий вагон» создан нашим коллективом, это вызвало удивление в кругах авиационных специалистов как у нас, так и за рубежом. История создания «летающего вагона» несколько необычна. В конце лета 1952 года меня вызвали в Кремль. Я встретил там Туполева, Ильюшина, а также конструкторов-вертолетчиков Миля, Камова, Братухина. Я удивился такому необычному сочетанию приглашенных: у вертолетов и самолетов так мало общего, что вертолетчики с конструкторами самолетов редко встречались вместе. Но все прояснилось, как только началось совещание. Оказывается, нас пригласили для того, чтобы посоветоваться, как ликвидировать отставание нашей страны в области крупного вертолетостроения. Действительно, в то время мы отстали от Соединенных Штатов Америки по вертолетостроению. Нам сказали, что конструкторские силы, работающие в этой области, недостаточны, что правительство решило просить опытные конструкторские коллективы по самолетостроению заняться в какой-то мере необычным для них делом и помочь созданию крупных, многоместных вертолетов. На этом совещании выступил Михаил Леонтьевич Миль, занимавшийся многие годы вертолетостроением. У Михаила Леонтьевича было конкретное предложение о постройке вертолета, на основе уже разработанного проекта двенадцатиместного вертолета. Что же касается самолетостроителей, то для них такая постановка вопроса была неожиданной. Андрей Николаевич Туполев и Сергей Владимирович Ильюшин заявили, что ввиду огромной загрузки своих бюро, а также полного отсутствия опыта они не смогут участвовать в создании вертолетов. Когда очередь дошла до меня, я сказал, что мы тоже загружены большой работой, но некоторое представление о вертолетах имеем. В последние годы мы построили два небольших экспериментальных вертолета. Если окажут некоторую помощь, то можно будет подумать о разработке эскизного проекта большого вертолета. Я просил разрешения посоветоваться со своими сотрудниками и только после этого дать окончательный ответ. Нам дали на обдумывание сутки.
1960-е годы.
Вернувшись в конструкторское бюро и не откладывая дела ни на минуту — в нашем распоряжении оставалось уже меньше 24 часов, — я вызвал Николая Кирилловича Скржинского, занимавшегося еще в 30-х годах автожирами, Петра Дмитриевича Самсонова — ветерана самолетостроения, опытнейшего инженера Леона Михайловича Шехтера и других конструкторов, принимавших участие в постройке наших экспериментальных вертолетов. Я объяснил суть. Крепко мы задумались. Все сочли дело это неясным и щекотливым, вспомнили о трудностях, с которыми связано было создание крупных вертолетов в США и в Англии. Но раз правительство просит, мы решили взяться за разработку проекта двадцатичетырехместного двухвинтового вертолета. Прикинули и рассчитали, что проект можно осуществить в течение года. На этом и разошлись. На следующий день опять вызвали в Кремль. Там из конструкторов был только Миль. Дело приняло совершенно неожиданный для нас, и особенно для меня, оборот. Милю и мне предложили просмотреть и дать свои замечания к уже подготовленному проекту постановления правительства о создании двух вертолетов. Одномоторный однороторный на 12 человек — поручить конструкторскому бюро Миля, а двухмоторный двухроторный на 24 человека — нашему бюро. Самое для нас трудное заключалось в том, что на проектирование, постройку и испытание обоих вертолетов был установлен срок всего в один год. Еще накануне я и мои помощники не считали возможным даже проект сделать меньше чем за год, а тут давался год на все. Казалось, что на решение такой сложной конструкторской проблемы понадобится не меньше трех-четырех лет. Мы с Милем пытались оспаривать сроки, но нам объяснили, что, так как дело слишком запущено, ждать больше нельзя. Обещали оказывать неограниченную помощь, но подчеркнули, что предлагаемый срок в один год — окончательный и обсуждению не подлежит. В конце концов Миля уговорили, и мне тоже не оставалось ничего другого, как подчиниться. На другой день было подписано постановление. Срок испугал всех, кому предстояло работать над вертолетом, а «доброжелатели» уже пророчили нам неминуемый провал. Но прежде, чем рассказать о том, как нам все-таки удалось выполнить задание, и для того, чтобы понять, какие трудности нас ждали, нужно несколько слов посвятить истории вертолета. Впервые идея постройки геликоптера — машины, поднимающейся в воздух при помощи вращающегося в горизонтальной плоскости воздушного винта, — возникла у Леонардо да Винчи еще 450 лет тому назад. Эскиз проекта Леонардо да Винчи сохранился, и мы можем судить о том, что идея была вполне здравой. А в 1754 году наш великий соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов на заседании Академии наук доложил о своем проекте «аэродинамической машины» для исследования верхних слоев атмосферы. Ломоносов изготовил даже модель машины, у которой винты приводились во вращение часовым пружинным механизмом. Но одно дело — проект или даже модель, другое дело — летающий вертолет. Только в начале нашего столетия человеку удалось подняться в воздух на винтокрылом аппарате. В частности, в России перед войной 1914 года в воздухоплавательном кружке МВТУ был построен первый геликоптер по проекту студента, а впоследствии академика, Бориса Николаевича Юрьева. Но война прервала эту работу, и она возобновилась лишь после революции. В 1932 году профессором Алексеем Михайловичем Черемухиным был установлен мировой рекорд высоты полета на вертолете конструкции ЦАГИ — 605 метров. В 30 — 40-х годах в Соединенных Штатах над вертолетами очень упорно работали конструкторы Сикорский и Пясецкий, а в Англии — фирма «Бристоль», где проектированием вертолетов руководил известный австрийский специалист Хаффнер, поступивший на службу к англичанам после второй мировой войны. Первым наибольших успехов добился Сикорский, создавший ряд небольших одновинтовых вертолетов. Некоторые из них были приняты на вооружение американской армии и участвовали в войне в Корее. Успешными были также работы Пясецкого. Он создал вертолеты средней грузоподъемности. Его вертолет «рабочая лошадь» нашел широкое применение в десантных войсках США. Англичанам с вертолетами повезло меньше. Хаффнер очень долго и мучительно доводил машину «Бристоль», но ему так и не удалось увидеть свое детище в массовом производстве: англичане вынуждены были купить в Америке лицензию на постройку вертолета Сикорского. Все известные к началу 50-х годов американские и английские вертолеты обладали сравнительно малой грузоподъемностью — в пределах 1 тонны. Лишь фирма «Пясецкий» широко разрекламировала проектировавшийся 2-3-тонный вертолет УН-16.
Piasecki PV-15 / YH-16 «Transporter»
Бристоль-173
Мы остановились на оригинальной схеме вертолета — двухвинтового, с продольным расположением воздушных винтов по оси вертолета. Эта схема, как позже подтвердилось, обладала преимуществами перед однороторной: такой вертолет устойчив, он поднимает большой груз, а главное — грузовая кабина его вдвое вместительнее, что позволяет поднимать грузы больших размеров… Никакого опыта по выбранной схеме у нас не было, поэтому пришлось все начинать с самого начала, совершить целый ряд серьезнейших изысканий, решить с помощью ученых ЦАГИ и Центрального института авиамоторостроения трудные научно-исследовательские проблемы. Собраны были самые квалифицированные люди. Соединение конструкторского опыта с глубоким научно-исследовательским анализом помогло избежать крупных ошибок как в схеме, так и в разработке отдельных узлов машины. Но, когда вертолет был построен и начались испытания — прокручивание всей системы, всех работающих деталей, — оказалось, что в такой сложной машине невозможно все предвидеть теоретически. Возникло много новых вопросов, например связанных с охлаждением. Летящий самолет подвергается обдуву потоком воздуха, и двигатель интенсивно охлаждается. А вертолету приходилось с полным грузом висеть длительное время на месте — конечно, нужно было создать принудительное охлаждение двигателя. Но самым главным затруднением, которое доставило нам кучу неприятностей, была тряска. В Министерстве авиационной промышленности к заданию по вертолетам — нашему и Миля — отнеслись с большим вниманием. Была организована широкая кооперация между различными заводами. Министерство открыло «зеленую улицу» для изготовления деталей вертолета на других заводах авиационной промышленности. Работы шли быстро. Вертолет строился сразу в четырех экземплярах. Первый экземпляр — для испытания статической прочности в лаборатории. Второй — для проверки динамической прочности на аэродроме. Третий и четвертый экземпляры — летные, для заводских и государственных испытаний. Положительные результаты испытаний одного из четырех экземпляров вовсе не исключали неприятностей при испытаниях любого другого. Например, первый экземпляр может, как у нас и было, успешно пройти все положенные ему статические испытания, а второй — для динамических испытаний — может испытываться и доводиться несколько лет, как красноречиво говорил нам об этом английский и американский опыт. Помимо испытаний, перечисленных мной и проводившихся на нашем заводе, некоторые части машины проверялись на других заводах и в институтах. Например, редуктор несущего винта — ответственнейший агрегат — испытывался на моторном заводе, где он был изготовлен; лопасти на вибропрочность испытывались в ЦАГИ, где им дали 10 миллионов колебаний, чтобы убедиться в их надежности; моторная группа с системой питания двигателей и охлаждения испытывалась в ЦИАМ. Все эти испытания прошли в основном благополучно и в установленные сроки. Главные трудности начались на ресурсной машине. С первых же часов работы двигателей и винтов машину стало трясти. То трясет на одних оборотах, то на других, и нет с тряской никакого сладу. Устранишь ее в одном месте — она вдруг появляется в другом, и так без конца, по присловью: нос вытащишь — хвост увязнет, хвост вытащишь — нос увязнет. Здесь требовались от всех нас железная выдержка и упорство. Но эти тряски были ничто по сравнению с тем, что нас ожидало впереди. Необходимо было провести 300-часовые ресурсные испытания, чтобы проверить надежность всех частей вертолета пока что до полета, на привязи. И вот мы старались «накрутить» на ресурсной машине как можно быстрее положенные 300 часов. Мучительность этих испытаний заключалась в том, что в случае поломки какой-нибудь детали, независимо от того, на каком часу работы это случится, нужно было начинать все испытания сначала — от нуля. Так что с каждым лишним часом работы системы, с одной стороны, мы радовались, а с другой — все больше росла тревога: вдруг что-нибудь сломается? После того как было наработано 150 часов, с трясками и вибрациями ресурсной машины мы справились. Мы ждали результатов каждого нового часа работы, приближавшего испытания к заветной цифре 300. Уже нарастала уверенность, что все будет в порядке. И вдруг однажды раздается взволнованный голос по телефону с аэродрома: — Большая неприятность! Ресурсная машина разрушилась и горит. Ничего спасти невозможно. Причина неизвестна… — Как люди? — Люди не пострадали. Немедленно выезжаю на аэродром. Печальная картина представилась взору. Груды обгорелых обломков и разбросанные вокруг исковерканные лопасти — больше ничего не осталось от ресурсной машины. Она наработала всего 178 часов. Нужно было начинать все сначала… Аварийная комиссия в составе крупнейших специалистов с нашим участием в конце концов определила причину несчастья. Оказалось, что узлы крепления рамы заднего двигателя разрушились от усталостных напряжений, задний мотор с редуктором навалился вместе с винтом вперед и лопастями стал рубить всю машину. Через лопнувшие бензопроводы бензин хлынул на раскаленный двигатель, и вспыхнул пожар. Все мы тогда приуныли: все сначала!
Yakovlev Yak 24.
Я утешал своих помощников: хорошо хоть, что установлена причина. Примем меры, и, значит, в последующем это больше не повторится. Кроме того, все, что уже было изучено за 178 часов, тоже не пропадет даром. Наконец, на то и ресурсные испытания, чтобы своевременно выявлять подобные дефекты. Но утешения утешениями, а я и сам чрезвычайно расстроился. Требовалось с удвоенной энергией вновь начинать ресурсные испытания, тем более что мы уже приступили к полетам на первом летном экземпляре вертолета. Для летных испытаний, не считая бортинженеров, механиков и радистов, был назначен экипаж в составе летчиков-испытателей Сергея Георгиевича Бровцева и Егора Филипповича Милютичева. Бровцев имел репутацию опытнейшего испытателя-вертолетчика. Милютичев, молодой, способный, только еще начинал работу испытателя, но сочетание Бровцев — Милютичев, как оказалось впоследствии, было исключительно удачным. После первых же робких полетов и Бровцев и Милютичев хорошо отозвались о вертолете. Но пока что шли небольшие подпрыгивания, подлеты и висение на высоте 5 — 10 метров над землей. Летчики тщательно исследовали машину, стараясь прочувствовать ее досконально. При всех таких испытаниях неотлучно присутствовали ведущие конструкторы вертолета. Все результаты испытаний вместе с летчиками и конструкторами подробно обсуждались у меня. Мы действовали очень осторожно. Были совершены сотни небольших полетов продолжительностью по несколько минут каждый и на неполной мощности двигателей, когда наконец Бровцев заявил, что можно попробовать полетать по-настоящему. И мы, обсудив все предыдущие результаты полетов, решили: можно. И вот Бровцев и Милютичев, разместившись в пилотской кабине, приготовились к полету. Впервые дали полный газ. Моторы мощно заревели, а воздушные винты, отбрасывая ураганную струю воздуха, подняли машину, и она полетела по-настоящему, устремилась вперед, набирая все большую и большую высоту. Мы все: и конструкторы, и рабочие, и летчики — долго трудились над вертолетом и знали, что в конце концов он полетит, но, когда он действительно полетел, нашей радости не было предела. После 10–15 минут полета летчики благополучно приземлились, их качнули, и не обошлось без традиционной бутылки шампанского. Однако вскоре оба летчика смущенно и неуверенно стали говорить о появлении какой-то «трясочки» на одном из режимов полета. На вертолете была установлена специальная чувствительная аппаратура, записывающая вибрации. Оказалось, что действительно на некоторых режимах полета имеется не только «трясочка», как деликатно выражались летчики, которым, по-видимому, очень не хотелось огорчать конструкторов, а самая настоящая недопустимая тряска, вызывавшая опасную вибрацию конструкции. Пять месяцев пытались мы избавиться от этой тряски. Пять месяцев напряженных исследований и расчетов. Десятки экспериментальных полетов. И все безрезультатно. Тут нужно учесть одно из отличий вертолета от самолета. У самолета движущиеся и вращающиеся детали работают только в двигателе и все возникающие вибрации поглощаются специальными амортизирующими устройствами. А на вертолете источником тряски может быть все. Трясется один двигатель — трясется другой, трясется редуктор — трясется синхронная соединительная передача между роторами… Понадобилось очень много времени, чтобы доискаться до первоисточника вибрации. Несколько месяцев, потраченных нами на борьбу с тряской вертолета, довели нас до состояния какого-то отупения, безысходности и даже безнадежности; мы начали терять веру в то, что когда-нибудь удастся устранить тряску, ибо она неожиданно возникала в разных местах. Дошло до того, что, встречаясь утром, мы вместо приветствия кричали друг другу: — Как, трясет? — Трясет, трясет! — Когда же эта проклятая тряска кончится? ЦАГИ и другие научно-исследовательские институты под руководством заместителя министра С. Н. Шишкина, возглавлявшего работы по доводке вертолета, нам хорошо помогали с самого начала. И тут по моей просьбе начальник ЦАГИ А. И. Макаревский собрал всех, кто мог быть полезен, чтобы сообща обсудить всю сумму вопросов, связанных с тряской. Это было любопытное заседание. Сам Макаревский, крупный специалист в области прочности авиационных конструкций, начальник лаборатории прочности и вибраций И. В. Ананьев, научные работники Б. П. Жеребцов, Л. С. Вильдгрубе и некоторые другие в своих выступлениях настойчиво и упорно искали наиболее короткого пути преодоления опасной и трудной болезни вертолета. Но были и такие ученые, которые шли по пути обоснования обратного: они направляли свою научную эрудицию и технические знания на поиски наиболее убедительного доказательства, что тряска неизбежна, что, вообще говоря, мы боремся с неизлечимой болезнью. Один из них, почтенный ученый, доктор технических наук, с очень эффектной внешностью — прямо хоть на киноэкран! — принес с собой заранее вычерченные графики и, ловко оперируя научной терминологией, формулами и цифрами, доказывал, что тряску нам не устранить, что она является органическим пороком данной схемы вертолета. Много высказывалось разных гипотез и предложений о том, что надо делать и как лечить вертолет. Одни предлагали вертолет удлинить, другие — укоротить, третьи — сделать фюзеляж новой конструкции. А четвертые считали, что все равно ничего не получится, и приводили при этом довод: — Американцы с УН-16 от тряски не могут избавиться, Хаффнер на «Бристоль-173» ничего не может сделать, а вы самые умные? Не теряйте зря времени. Но мы времени зря и не теряли.
Опытный Як-24А.
Если бы мы были слабонервными и верили в теорию слепо, не проверяя ее экспериментами и не анализируя выводы ученых инженерным опытом, может быть, вертолета и по сей день не было бы. Но, подкрепляемые верой в свой опыт, опираясь на поддержку таких ученых, как Ананьев, Вильдгрубе, Жеребцов, мы в конце концов нашли правильное инженерное решение. И пришло оно вот каким путем. Мучаясь и ломая голову над тем, что же является источником, возбудителем вибрации, я пришел к выводу, что нужно постараться расправиться с тряской по отдельным элементам. Я говорю «мучаясь», ибо это были действительно муки. Ни днем, ни ночью, ни в театре, ни на прогулке, ни за обедом не забываешь о проклятой вибрации. Другой раз отвлечешься немного, но вдруг мысль о вибрации пронзает все твое существо, и даже в пот ударит от чувства бессилия, ощущения какого-то неодолимого препятствия, перед которым мы стоим. И вот однажды озарило, что из всех возможных источников возникновения тряски основным и наиболее злым являются лопасти. Таких лопастей на вертолете по четыре на каждом роторе, итого восемь. Все они с огромной скоростью вращаются, причем возникают очень сложные механические и аэродинамические явления. А что, если изменить виброхарактеристику лопастей? Для того чтобы убедиться, от лопастей ли идет вибрация, К. С. Кильдишева — руководитель научно-исследовательского отдела — предложила попробовать отрезать по полметра от каждой лопасти и посмотреть, как это повлияет на тряску всей конструкции. Опять собрались мы все, обсудили предложение и решили, что хуже не будет. Через две недели укороченные на 50 сантиметров лопасти были установлены на машину. Все ждали: что-то будет? Запущены двигатели, вращаются лопасти, летчики в кабине, Бровцев делает знак «все в порядке», и машина взмывает. 20 минут пробыли Бровцев и Милютичев в полете. Мы не знали, как ведет себя вертолет, но по улыбающимся, довольным лицам летчиков, когда они, медленно подходя к земле, зависли над нами, мы поняли, что какие-то результаты есть. Каково же было общее удовлетворение, когда в один голос и Бровцев и Милютичев решительно и твердо заявили, что в течение 20 минут они перепробовали все режимы работы винта, все режимы полета и от тряски не осталось никаких следов. Это был один из тех приятных сюрпризов, которые в конструкторском деле иногда счастливо подтверждают преимущество здравого инженерного смысла над мудрствованием и научной схоластикой. Конечно, в ходе последующих испытаний выявили и устранили еще множество разных дефектов, но главным была тряска, а с нею покончено. В начале зимы 1953 года вертолет был предъявлен на государственные испытания. Казалось бы, уже все в порядке, но судьба готовила нам еще один удар. Не успели сделать военные летчики на государственных испытаниях и десятка полетов, как при одной из проб двигателей на полных оборотах на привязи, когда в пилотской кабине находился лишь механик, лопнул один из привязных тросов, за ним другой, третий, четвертый. Машина взмыла, а механик, не умея управлять вертолетом, единственное, что мог сделать, — это мгновенно убрать газ. И вертолет, не успев подняться выше 6–8 метров, повернулся набок и рухнул на землю. Высота небольшая, поэтому никто не пострадал, но машина полностью вышла из строя. Это было ужасно. Неудачи действовали угнетающе. Некоторые нестойкие духом инженеры даже не захотели продолжать работу над вертолетом. К счастью, основной инженерный костяк не сдавал позиций, У нас был второй летный экземпляр вертолета, и мы его передали для продолжения государственных испытаний, усилив привязные тросы. Но даже после того, как мы представили машину в научно-испытательный институт, испытание наших нервов не закончилось. Может быть, потому, что мы так долго возились с тряской, или потому, что ресурсная машина разрушилась и сгорела, а первая — летная — разбилась, сорвавшись с привязи, в НИИ на первых порах отношение к вертолету было недоверчивое. Испытания в НИИ превратились для нас в сплошную трепку нервов, потому что из-за каждой мелочи, из-за каждого дефекта, которые обычно неизбежно сопровождают испытания любой новой машины, от нас требовали забрать вертолет для доделки. Тем самым затягивалось решение основного, принципиального вопроса, то есть оценка вертолета как сооружения технического для несения определенной службы. Прошло несколько месяцев, а сделано было всего полтора — два десятка полетов. И вот однажды руководству Министерства обороны на подмосковном аэродроме была показана новая авиационная техника, в том числе и наш вертолет. Стоял сильный мороз. Съехался генералитет. Осмотрели выставленные на линейке истребители, бомбардировщики и наконец подошли к вертолету. Все охотно вошли в его огромную кабину, чтобы укрыться от пронизывающего ветра. В кабине набралось человек двадцать. Маршал Г. К. Жуков, обращаясь к командующему Воздушными Силами П. Ф. Жигареву, задал вопрос: — Ну, как вертолет? Как идут испытания? Кончайте их скорее. Нам нужен такой вертолет! Имейте это в виду. Через полтора — два месяца испытания вертолета закончились, причем было сделано полетов в несколько раз больше, чем за все предыдущее время. Сотрудники НИИ летчики-испытатели С. Г. Бровцев, П. И. Шишов, В. И. Кравченко, К. Д. Таюрский и инженеры А. М. Загордан и С. X. Атабекян положили много труда и проявили подлинный героизм при испытаниях вертолета, оказывая нам всяческую помощь в быстрейшем устранении недостатков машины. Наконец вертолет был испытан, получил положительную оценку и решением правительства принят в серийное производство под названием ЯК-24. После того как начался серийный выпуск машины, мы продолжали работать над ее усовершенствованием. В частности, повысили надежность управления вертолетом. Система управления была очень капризной, и малейшая неточность сборки или деформация фюзеляжа в полете могла вызвать нежелательную вибрацию. И вот в процессе серийного производства нашим специалистам удалось сделать замечательное усовершенствование системы управления для больших вертолетов. Оно полностью сняло всякие сомнения в надежности управления. Это было последним серьезным усовершенствованием вертолета, после которого мы вздохнули свободнее. И уже совсем легко стало дышать после того, как на воздушном параде в 1955 году четыре наших вертолета, на удивление многочисленным зрителям, особенно зарубежным авиационным специалистам, присутствовавшим на параде, совершили первые публичные полеты.
Транспортный Як-24.
Теперь несколько слов о самом вертолете. ЯК-24 своим внешним видом напоминает вагон метро или электрического поезда. И действительно, это настоящий вагон. В кабине вертолета размещается до 40 пассажиров или соответствующий груз. Длина кабины — 10 метров, ширина и высота — около 2 метров; она вмещает до 4 тонн различных грузов, в том числе и крупногабаритных, как, например, две автомашины типа ГАЗ-69 или «Победа». Они въезжают в вертолет своим ходом по трапу в хвостовой части фюзеляжа. Пилотская кабина, расположенная в носовой части вертолета, просторная. Обзор из кабины отличный. Как с балкона, отсюда можно наблюдать все происходящее по сторонам и внизу. Здесь созданы все условия для удобной работы экипажа, состоящего из двух пилотов, бортмеханика и радиста. Управление двойное. Многочисленные приборы управления и контроля компактно смонтированы в щитах перед сиденьями летчиков. В чем основные преимущества вертолета ЯК-24 перед другими типами подобных машин? Устойчивость и управляемость машины, грузоподъемность и скорость горизонтального полета — вот главные задачи, удачного решения которых добивается каждый конструктор вертолета. Не поступаясь скоростью, мы резко подняли грузоподъемность. В этом главное и отличительное достоинство ЯК-24. Впервые в СССР на этом вертолете применена продольная схема размещения винтов. Два огромных четырехлопастных винта расположены в носовой и хвостовой частях фюзеляжа. Они вращаются в разные стороны. Их приводят в движение два мощных авиационных мотора, соединенных синхронным валом. Если один из двигателей выйдет из строя, другой будет вращать оба винта ротора, и вертолет сможет продолжать свой полет. Горизонтально расположенные над фюзеляжем винты, вращаясь, отрывают вертолет от земли и поднимают его в воздух. Но как эта машина переходит в горизонтальный полет? Отклоняя ручку управления или ножную педаль, пилот воздействует на «автоматы перекоса» несущих винтов. Они меняют плоскости вращения. Винты наклоняются вправо, влево, вперед или назад. При одновременном наклоне винтов в одну сторону вертолет приобретает горизонтальное движение в нужном направлении. Путем отклонения винтов в разные стороны осуществляется поворот машины. Каковы летные возможности этой машины, на что способна она? Милютичев поднялся на вертолете с грузом в 4 тонны на высоту 2902 метра, а Тиняков с 2 тоннами — на высоту 5082 метра. Они показали потолок и грузоподъемность машины. Эти результаты в 1956 году утверждены Международной авиационной федерацией как мировые рекорды. В 1957 году рекорды грузоподъемности были превзойдены на новом гигантском отечественном вертолете Миля МИ-б. О продолжительности пребывания в воздухе и дальности полета ЯК-24 без посадки свидетельствуют многие беспосадочные полеты, в частности по маршруту Москва — Ленинград, начало которым положил летчик Ю. А. Гарнаев. Новейшее навигационное оборудование позволяет вертолету производить полеты ночью и в сложных метеорологических условиях. Неожиданно ЯК-24 оказался очень полезным в таких областях народного хозяйства, в которых предположить возможность его применения вначале было трудно. Например, кому бы пришло в голову, что «летающий вагон» может участвовать в строительных работах? Когда восстанавливали музейные царскосельские дворцы, под Ленинградом, возникла необходимость быстро сменить перекрытия зданий. И вот работу, на выполнение которой обычными методами, с помощью строительных кранов, понадобилось бы затратить полтора — два месяца, вертолет проделал за два дня, подняв с земли заранее собранные и приготовленные фермы и установив их точно на место. ЯК-24 оказал также неоценимую услугу во время сооружения газопровода к Ленинграду на трудном участке трассы, где приходилось прокладывать трубы в непроходимой болотной топи. Выяснилось, что эту машину можно успешно использовать при установке мачт электропередачи в труднодоступных горных и болотистых местностях. С вертолета ЯК-24 производилась съемка первого советского циркорамного фильма. В те дни «летающий вагон» стал одной из сенсаций ленинградцев. На очень малой высоте он летал над городом, сопровождаемый толпами восторженных мальчишек, которые, задрав вверх головы, бегали за вертолетом по площадям, улицам и набережным Ленинграда. Конечно, такие ответственные полеты требуют отличного пилотирования и большого летного искусства экипажа. В заключение нужно сказать, что самолет и вертолет не конкуренты. Это машины разного назначения и применения. Чем совершеннее становится самолет, чем выше его скорость и грузоподъемность, тем больше привязывается он к земле: ему требуются все более длинные и прочные дорожки для взлета и посадки. Их можно строить не везде. Вертолету же для взлета и посадки нужна площадка немногим большая, чем он сам. Он может доставить людей и грузы туда, куда не пройдет ни поезд, ни автомобиль. В суровых условиях Арктики, в труднодоступных горных местностях, на необъятных просторах тайги эта машина может исполнять работу, непосильную для других видов транспорта. Вот некоторые отзывы журнала «Интеравиа» о ЯК-24: «Генерал Поль Жерадо (ВВС Франции) утверждает, что Россия догоняет Соединенные Штаты в области воздушной мощи и в некоторых отношениях уже достигла неоспоримого преимущества…» «Двухмоторный вертолет А. С. Яковлева может поднимать более 6,5 тонны груза на высоту 2000 метров. В этом отношении он сейчас, по-видимому, не имеет равных себе во всем мире». «До сих пор вертолет „Пясецкий Н-16“ с двумя радиальными двигателями „Пратт-Уитни“, развивающими по 1650 лошадиных сил каждый, рассматривался как величайший в мире винтокрылый аппарат. Судя по всему, его советский эквивалент — „летающий вагон“ не уступает ему по размерам и по летному весу…» А.С.Яковлев.
Обледенение двигателей самолета по-прежнему одна из причин случающихся авиакатастроф. Кроме того, образование льда на поверхностях воздушных судов препятствует развитию перелетов с высокой скоростью на большие расстояния через зоны активного изменения погоды, что особенно характерно для России и территорий, входящих в ее арктическую зону. Существующие противообледенительные системы не всегда достаточно эффективны, потому что прогревают важные детали только частично. Ученые Пермского Политеха предложили способ удаления льда с лопастей вентилятора двигателей прямо во время полета с помощью лазерной системы. Изобретение повысит безопасность передвижения по воздуху.
На разработку выдан патент №2815119. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Обледенение может принимать несколько форм. Например, при попадании капель переохлажденного дождя на поверхность они сразу замерзают, образуя ледяную корку; при перепадах температур и влажности образуется наледь, которая хорошо удерживается на поверхности воздушного судна за счет примерзания и сравнительно устойчива к механическим воздействиям.
Для борьбы с обледенением элементов авиадвигателя могут применять тепловые системы. Их могут размещать вблизи узлов крепления лопастей. Тепло распространяется на элементы двигателя, но чем дальше они расположены, тем менее эффективен обогрев.
Ученые ПНИПУ разработали способ удаления льда с лопастей вентилятора двигателя с помощью лазерной системы прямо во время полета. Технология очистки основана на нагреве лазерными лучами.
– Под воздействием нагрева и вращения запускаются процессы плавления и образования трещин в слое льда, и он сходит с лопастей. При этом лед разрушается практически одинаково на каждой лопасти, что позволяет не только очистить элементы конструкции, но и может предотвратить вибрации, – объясняет доктор технических наук, декан аэрокосмического факультета ПНИПУ Владимир Модорский.
Изобретение ученых ПНИПУ поможет эффективно бороться с образованием льда на лопастях вращающегося вентилятора во время полета. Тем самым повысит безопасность передвижения по воздуху.
Общий вид геометрической модели. 1 - канал конечной длины круглого сечения, на одном из торцов расположены ячейки, 2 - призматической формы, соединенные с каналом узким горлом, 3 - цилиндрической формы
В авиации предъявляют высокие требования к снижению уровня шума самолетов на местности. Чтобы самолеты летали тише, в авиационных двигателях используют звукопоглощающие конструкции (ЗПК). Однако международная организация гражданской авиации (ИКАО) постоянно ужесточает стандарты, которым сегодня не соответствует ни один эксплуатируемый самолет российского производства. Для решения этой проблемы требуется разработка новых систем снижения авиационного шума. Ученые Передовой инженерной школы ПНИПУ разработали уникальный вид звукопоглощающей конструкции. Внедрение результатов исследования позволит повысить конкурентоспособность отечественной гражданской авиации на мировом рынке.
По результатам международной научно-технической конференции «Скоростной транспорт будущего: перспективы, проблемы, решения» опубликована статья. Исследование выполнено при поддержке Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» и государственного задания Минобрнауки РФ (проект № ФСНМ-2023-0006).
Двигатель летательного аппарата — это главный источник авиационного шума. С появлением более мощных установок допустимые пределы превышаются. Диапазон слышимости звуков для человека находится в пределах от 0 до 120 дБ. Выше этого значения — болевой порог. Звук интенсивностью в 140 дБ (взлетающий самолет) может вызвать контузию. При 160 дБ возможны разрывы барабанной перепонки. Борьба с шумом в авиации играет ведущую роль.
Чтобы снизить шум авиадвигателя, его каналы «обшивают» звукопоглощающими перфорированными панелями с внутренним заполнителем. В таких звукопоглощающих конструкциях (ЗПК) заполнитель, как правило, выполнен в виде сот с жесткими перегородками. Все известные ЗПК отличаются количеством слоев, формой и типом заполнителя, но сейчас их стандартное использование не соответствует современным требованиям шумоподавления. Ученые ПИШ ВШАД предлагают новое направление в снижении авиационного шума.
— Для создания недорогих акустически эффективных ЗПК, работающих в широком диапазоне частот, мы разработали концепцию однослойной ЗПК с разновысотным сотовым заполнителем. Ячейки в нем расположены по спиральной схеме и обладают различным объемом и высотой, что позволяет увеличивать потери звуковой энергии сразу на нескольких частотах. Для проверки акустической эффективности нового заполнителя мы провели расчетно-экспериментальные исследования при уровне звукового давления 130 дБ, соответствующего уровню шума авиационного двигателя, — поделился научный руководитель проекта ПИШ ВШАД, кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ Павел Писарев.
С помощью компьютерного моделирования ученые подобрали оптимальные геометрические характеристики разновысотных ячеек ЗПК, а затем изготовили образцы заполнителя на 3D-принтере для проведения экспериментов. Интерферометр, на котором проводились эксперименты, представляет собой трубу круглого сечения. На одном конце располагается образец ЗПК, на другом — динамик, который воздействует на образец звуковыми волнами. На некотором расстоянии от образца установлены микрофоны, они записывают акустическое давление падающих и отраженных волн во времени.
Политехники обрабатывали полученное в ходе эксперимента звуковое давление и вычисляли импеданс. Это основная характеристика ЗПК, ее оптимальное значение обеспечивает максимальное затухание звуковых волн в канале.
— Полученные результаты подтвердили акустическую эффективность разработанной разновысотной звукопоглощающей конструкции. По сравнению с классической равномерной ЗПК диапазон рабочих частот нашей разработки выше на 50%, и на 10% стало эффективней поглощение шума, — рассказала младший научный сотрудник НИЛ ПАКМ кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ Карина Ахунзянова.
Использование новых нестандартных форм заполнителя в ЗПК открывает больше возможностей для лучшего шумоподавления в авиации. Исследование ученых ПИШ позволит создавать более эффективные звукопоглощающие конструкции для перспективных российских авиационных двигателей, в частности ПД-35, который используют в широкофюзеляжных пассажирских самолетах.