У вас - селекция, у нас - двигатели

Крупные научные проекты будут делаться в НОЦ. Создадут ли его у нас?

Правительство впервые утвердило меры поддержки создания и развития научно-образовательных центров (НОЦ) мирового уровня. Они объединят вузы, научные организации и крупные компании и станут главными площадками для реализации крупных научно-технических программ, причем (как надеется правительство) в большой степени за внебюджетный счет. Хотя работа по созданию центров ведется в рамках нацпроекта «Наука», на который выделят 636 млрд рублей.

Уже приняты решения о создании НОЦ в Белгородской области, Тюменской области и Пермском крае.

Со своими предложениями по созданию научно-образовательного центра в республике и не только вышел и наш Авиационный университет.

- Мы предложили, чтобы проект был межрегиональным, под эгидой Объединенной двигателестроительной корпорации (в нее входят крупнейшие уфимские заводы) и в тех городах, где есть предприятия ОДК: Уфа, Пермь, Самара (моторные заводы), Рыбинск (завод «Сатурн»), - сообщил ректор вуза Николай Криони на встрече с журналистами. - При всех этих предприятиях есть ведущие университеты. Заявка называется так: «Критические технологии создания гибридных силовых установок летательных аппаратов нового поколения». (Стоит отметить, что направления деятельности уже «одобренных» НОЦ далеки от машино- и самолетостроения: это, например, селекция, освоение Арктики, "технологии роботизированной добычи полезных ископаемых").

А каковы преимущества конкретно нашего вуза, которые должны помочь ему в продвижении заявки? Я приведу только некоторые факты из выступления ректора – думается, их достаточно:

Лопатка после электролитно-плазменной полировки.

12 ученых из УГАТУ входят в рейтинг 1000 наиболее цитируемых ученых мира.

Вуз включился в программу «5-100», которая подразумевает, что наши вузы должны занимать места в пяти главных рейтингах ведущих университетов мира: в 2017 году Авиационный попал в Шанхайский рейтинг по направлению «материаловедение» (то есть создание новых материалов).

Университет является координатором и ответственным исполнителем по развитию и внедрению аддитивных технологий в регионе, а также по обучению новой профессии - «аддитивные технологии и цифровое производство».

Критические технологии для создания нового двигателя и нового самолета – это технологии сквозного цифрового проектирования, создание двигателя с помощью аддитивных технологий, создание более электрического двигателя (это мировая тенденция), тонкостенное литье жаропрочных сплавов, изготовление широкоформной лопатки - причем не металлической, а композиционной. Все они освоены или разрабатываются в УГАТУ.

- Все эти задачи в рамках НОЦ позволят в 2-3 раза повысить объем исследовательских работ, примерно в такой же пропорции - численность молодых ученых. А нашим двигателестроительным предприятиям будет предложено около 50 новых технологий для двигателей 5 и 6 поколений, - заключил Николай Криони.

После этого журналистам было предложено воочию увидеть и даже потрогать с десяток этих самых технологий.

Суперкомпьютер

Обеспыленная комната, где помещается суперкомпьютер.

Новый модуль гибридной архитектуры и сотрудники, обслуживающие комплекс.

В наш век важно выпускать на рынок хорошие решения и делать это быстро. Чтобы быстро спроектировать изделия или смоделировать какие-либо процессы, может понадобиться не просто компьютер, а суперкомпьютер –система, которая в сотни тысяч раз быстрее самого современного компьютера. Если посмотреть на объем расчетов, которые были выполнены суперкомпьютером УГАТУ за время его существования (10 лет) – на обычных ПК эти расчеты могли бы быть произведены за 10 000 лет. Поэтому в вуз нередко обращаются крупные и инновационные компании со сложными вычислительными задачами.

Суперкомпьютер УГАТУ состоит из 542 четырехъядерных процессоров IntelXeon и самого нового - гибридного сегмента, где используются графические процессоры компании NVidia: это позволяет собрать в небольшом объеме большое количество ядер и дает колоссальную производительность. В настоящее время его пиковая производительность - 50 терафлопс (10¹² флопс) - он пятый по мощности в стране. (Для сравнения: производительность более и менее современных персональных компьютеров колеблется от 30 мегафлопс (10⁶ флопс) до 350 гигафлопс (10⁹ флопс), самого мощного на сегодня компьютера Summit (США)- 122,3 петафлопс (10¹⁵ флопс). В комнату, где поддерживается пониженная температура – никакие компьютеры не любят жары - сотрудники, обслуживающие Супер-ЭВМ, заходят только в случае крайней необходимости, ведь главный враг подобных систем - пыль.

Какие же задачи решают эти вычислительные мощности?

Здесь моделируются процессы, происходящие внутри авиационного двигателя, процессы изготовления деталей; еще одна задача которая постоянно решается совместно с нефтяниками - это моделирование нефтегазовых месторождений.

Чуть более простая задача - к примеру, моделирование процесса пожара в здании, (скорость распространения газов, уровень температурного поля, возможности возникновения опасных факторов) - все это может помочь оценить продуманность эвакуационных схем. В решении этих задач участвуют и студенты (магистранты, аспиранты), и это мощный обучающий фактор (а кроме того, поиск новых задач для суперкомпьютера можно назвать отдельной дисциплиной).

В музее УГАТУ. Здесь стоят 50 уникальных двигателей - таких музеев в стране всего два.

Грозил не только ботинком

Где еще вы увидите такой же двигатель, который стоял на самолете Ту-114, на котором когда-то совершил свой известный визит в США Никита Хрущев? Конечно, в музее УГАТУ. Турбовинтовой НК-12 конструктора Кузнецова - самый мощный, самый экономичный и самый шумный в своем классе - позволил советскому экипажу отказаться от американского топлива и благополучно вернуться на родину. (Для точности – двигателей было четыре, ведь и лайнер Ту-114 до сих пор считается одним из самых больших и скоростных). Таким образом визит дал повод для немалой паники в американской прессе, писавшей, что в СССР изобрели бомбардировщик, который может спокойно прилететь, отбомбиться по Вашингтону и улететь, ведь два трансатлантических перелета без дозаправки перестали быть проблемой для СССР.

Также здесь можно увидеть и самый первый турбореактивный двигатель в СССР, с которого началась эра реактивной авиации, и самый современный – тот, который сегодня устанавливают на Су-27, Су-30, Су-33 (первый серийный экземпляр, выпущенный на УМПО). И даже жидкостный ракетный двигатель РД-107 - первую ступень таких ракет, как «Восход» и «Союз» (именно такая ступень была частью ракеты-носителя «Восток», которая подняла на орбиту Юрия Гагарина).

Жидкостный ракетный двигатель РД-107 - первая ступень "Восхода" и "Союза".

На самом деле музей УГАТУ - тоже полноценная учебная лаборатория: многие двигатели стоят здесь в «препарированном» виде, чтобы студенты могли «вживую» изучить каждый узел. Есть даже целый препарированный самолет - Миг-21, самый массовый истребитель в мире.

А на загородной площадке университета базируются современные самолеты - Су-27 и Миг-29.

Двигатель, который сегодня устанавливается на Су-27, су-30 и Су-33. Один из выпускаемых на УМПО. Легко превращается в газотурбинный.

Кто потеснит Boeing?

Здесь же состоялась встреча с учеными, возглавляющими две ведущие научные школы вуза.

- Сейчас авиация поднимается. Но на наших новых гражданских самолетах многие комплектующие пока что импортные, - рассказал заведующий кафедрой электрических машин профессор Флюр Исмагилов. - А это и Суперджет-100, и создаваемый сейчас Суперджет-75, и МС-21 - среднемагистральный пассажирский «самолет XXI века», который должен потеснить на мировом рынке Airbus A320neo и Boeing 737max. Мы работаем над высокооборотным генератором для наших самолетов - вот этот, например, будет установлен на «Суперджет-100».

Профессор Флюр Исмагилов рассказывает, как сделать наши самолеты еще более нашими.

Также мы занимаемся проектами для ПД-14 («перспективный двигатель тягой 14 тонн», разработанный для того же МС-21) и для ПД-35 - этот двигатель делается в Перми для широкофюзеляжного СР-929, который мы сегодня разрабатываем совместно с Китаем. Там тоже будут наши генераторы, электроприводы плюс тонкостенное литье, покрытия, полировки - словом, в этом новом самолете будет немало технологий из УГАТУ.

При этом кафедра работает и над многими другими изделиями (например, выпускаемыми на Агрегатном заводе), и в этом активно участвует молодежь - студенты, магистранты, аспиранты. В студенческом КБ постоянно работают 35-40 человек: занимаются реальными заказами предприятий и получают неплохую зарплату.

А научная школа по авиакосмическим электромеханическим преобразователям энергии признана ведущей в России.

Композиты: от крыльев к лопаткам

Еще совсем недавно отечественные авиаторы гадали, не придется ли отложить или вообще забыть о проекте «МС-21» из-за того, что японцы отказались поставлять нам волокна, а бельгийская компания Solvay - остальные химические материалы, из которых на заводе в Ульяновске делали композитные крылья для нового самолета. К счастью, оказалось, что волокна уже производит «Росатом», а остальные материалы - компания «Унихимтек» и Институт новых углеродных материалов, причем по собственной инициативе и на собственные средства. Так что самолет проходит испытания и, как и было намечено, получит сертификат (значит - будет готов к серийному производству в 2020 году).

Теперь важность создания композитных материалов для новых самолетов никому объяснять не надо. Ну а кафедра сопротивления материалов УГАТУ, в рамках которой существует лаборатория композитных материалов, уже может продемонстрировать композитную лопатку - она, естественно, намного легче металлической.

Справа - вентиляторная лопатка из композиционного материала (не в натуральную величину).

- В двигателе есть лопатки намного больше - больше метра в длину - и уже сейчас надо стремиться к тому, чтобы делать их из композитов: и для прочности, и для уменьшения веса конструкции, а значит, и расхода топлива, - подчеркивает заведующий кафедрой сопротивления материалов профессор Владимир Жернаков.

Лопатка за 4 часа?

Знаете, как будут восстанавливать Нотр-Дам? Оказывается, максимально точные его чертежи сохранились в компьютерной игре Assassin’s Creed. Теперь реставраторы создадут по ним максимально точные модели утраченных внешних деталей и интерьеров (скорее всего, с применением 3D-принтера) – а возможно, по ним же будут создавать и настоящие детали, и все это значительно ускорит процесс. Все это - это современные автоматизированные методы создания трехмерных чертежей (это называется «система автоматического проектирования - САПР) и создания моделей и деталей по ним при помощи аддитивных технологий (самый простой пример - 3D-принтер). Все это имеет прямое отношение и к созданию самолетов. Все это и есть переход к цифровой индустрии 4.0, основной вектор развития сегодняшней промышленности.

Профессор Вадим Смирнов демонстрирует результаты внедрения аддитивных технологий.

- Вот лопатка авиационного двигателя. Ее (а значит, и сам двигатель) могут делать всего пять стран в мире. От того, как ее придумал конструктор, до воплощения в металле проходит девять месяцев - лопатка рождается как человек, - рассказывает заведующий лабораторией аддитивных литейных технологий Вадим Смирнов. - Дело еще и в том, что ее получают из одного кристалла металла, что придает ей особые свойства. Но представьте себе стоимость такой детали - это стоимость среднего автомобиля - и цену ошибки.

Поэтому 10 лет назад в мире стали быстро развиваться технологии прототипирования. Аддитивные цифровые технологии - это изготовление изделий по трехмерной компьютерной модели за счет послойного нанесения материала: разогретого термопластика, пластиковых, керамических, металлических порошков, жидкого фотополимера и их связки различными способами.

Этими методами в мире уже изготавливается немало деталей и изделий. (Прим. авт.: доля России среди, стран активно развивающих и применяющих технологии аддитивного производства, - примерно 1,2 % (США - 39,1 %, Япония - 12,2 %, Германия - 8,0 %, Китай - 7,7 %) и показывает устойчивый рост).

Мы занимаемся этим уже 10 лет.

Прототип лопатки.

Прототип - это модель, созданная по компьютерному чертежу, со всеми основными свойствами будущего продукта. Она используется, чтобы исследовать, протестировать будущий продукт.

- Прототип этой лопатки, полностью повторяющий ее структуру, можно сделать за 4 часа, - продолжает Вадим Смирнов.

А это уже настоящая функциональная деталь - металлическая (из нержавеющей стали), сложная, она получена на 3D-принтере.

Или перед нами стояла задача сделать вот такое рабочее колесо турбины. Чтобы выточить его из металла, нужно 7-8 месяцев. Мы справились за две недели. Технология называется «быстрое литье»: сосканировали турбину, при помощи обратного проектирования (или реинжиниринга) получили точный трехмерный чертеж - и напечатали на 3D-принтере вот такую турбину сотовой конструкции (по сравнению с полнотелой в ней всего 30% материала).

По этой модели сделали керамическую форму и потом - заливку. И. как я уже говорил, через две недели - вместо 8 месяцев - на столе стояла готовая отливка. И она в четыре раза легче.

Оцифровывать и отливать по аддитивным технологиям можно и предметы искусства.

..и математические формулы. (В данном случае - из углепластика).

Побывали журналисты и в новом, только что построенном и оснащенном модуле вуза, где, собственно, и происходит литье с применением аддитивных технологий.

Здесь уже демонстрируют прототипы лопаток, выращенные на 3D-принтерах, а также можно понаблюдать за роботизированной сборкой модельных блоков - это еще один шаг к цифровому производству, к полностью автоматизированному производству лопаток.

Кстати, установка по роботизированной сборке спроектирована здесь же и сделана в России – как и большая часть оборудования этого экспериментального литейного участка.

Шлейф от спутника

40-килограммовый микроспутник «УГАТУ-САТ», созданный на кафедре телекоммуникационных систем, запущенный с Байконура в 2009 году и успешно вышедший на орбиту, в свое время был очень даже прорывной технологией. Сравните: на той же ракете «Союз-2» запустили второй спутник МГУ - «Татьяна-2». «УГАТУ-САТ» предполагалось использовать как ретранслятор, для связи с другими спутниками на этой же орбите, а также как систему дистанционного зондирования Земли (например, отслеживать лесные пожары, наблюдать за паводками). К тому же космические фирмы изготовили для него только системы жизнеобеспечения, а всю «начинку», которая и позволяла осуществлять задуманные функции, создали в самом вузе. К сожалению, в феврале 2010-го - после 156 витков на орбите в штатном режиме - спутник на связь больше не вышел.

Однако для всякого спутника нужно создавать еще и наземный Центр управления полетами. Он был создан - и работает до сих пор, принимая информацию с 15 разных спутников на той же орбите.

Таким образом на кафедре ТС принимают и обрабатывают снимки Земли – такие, какие мы все привыкли видеть в Яндекс- и Google-картах, можно вести и мониторинг движения облаков, паводковой ситуации (и строить карты разливов с учетом таяния снега в горах), лесных пожаров или состояния озимых, составлять метеокарты.

Узнаете отснятый спутником участок Земли?

- Также наш ЦУП является резервным для Роскосмоса - для будущей программы запуска группировки малых спутников, - отметил заведующий кафедрой Альберт Султанов. - Только, к сожалению, Америка нас в этом плане обходит: Пентагон собирается в ближайшую пятилетку запустить 5000 подобных спутников.

Похоже, если мы можем наблюдать - то за нами хотят наблюдать очень плотно.

Также на кафедре телекоммуникационных систем работает лаборатория «Умный дом. Умный город»: управление как отдельно взятым жилищем, так различными системами города - необходимое сегодня направление. Пока что один из реализованных проектов можно отнести к разделу «Умная дорога»

В лаборатории "Умный дом. Умный город".

- На опасном горном участке дороги Уфа – Белорецк (это резкий поворот с резкой переменой высоты, известный в народе как «Тещин язык») установлена дорожная метеостанция со связью через спутник и питанием в том числе от солнечных панелей. Она следит за состоянием дороги (зимой – толщиной снега, появлением льда) – и если параметры выходят за пределы нормы, посылает водителям тревожные сигналы, - объяснил доцент кафедры Дмитрий Воронков.

"Тещин язык" на автодороге Уфа - Белорецк.

Шаг к «Формуле-1»

Естественно, визит в Авиационный не мог обойтись без встречи с представителями UGATU Racing Team: в нашей стране в принципе очень немного команд-участников европейских соревнований по автомоделированию. Причем наша команда – титулованная: в 2016 году с электромотоциклом E-Ti заняла второе место на соревнованиях SmartMotoChallenge в Барселоне, в 2017 – получила награду «Стойкость и дух» Schell Eco Marathone в Лондоне: их суть в том, что болид команды должен проехать как можно большую дистанцию на 1 литре бензина или эквивалентного топлива. (Болид нашей команда проехал 155 километров на 1 литре этанола). В прошлом году команда участвовала в престижнейшей «Формуле-Студент» в Нидерландах - кузнице будущих проектировщиков европейских автомобилей и болидов «Формулы-1».

Электромотоцикл и болид, созданные UGATU Racing Team.

Сегодня UGATU Racing Team снова намерена поучаствовать в Formula Student Netherlands-2019 и собирает средства для этого на краудфандинговой пощадке Planeta.ru. А параллельно готовится и к нынешнему лондонскому экомарафону.

- Скорость нового болида, который мы строим для Лондона, будет 140 километров в час, разгон до 100 км/ч - примерно за 4 секунды. У него новая конструкция рамы, которая уже готова. Также готова верхняя часть корпуса (пока без стекол), двигатель - на стадии настройки, сейчас мы собираем трансмиссию, - сообщил механик команды Кирилл Абрамов.

Ничего не скроешь

Когда-то в «Докторе Хаусе» нас поражали гиперреалистичные кадры того, как действуют агенты болезни в организме пациента. Нечто подобное можно наблюдать сегодня и в университете - только здесь ученых интересует «то, что скрыто» не только в организме. Собственно говоря, «того, что скрыто» для них уже не осталось!

Перед нами на огромном трехмерном экране (размером с небольшую комнату) - поворачивается и переливается разными цветами нечто, напоминающее женскую фигуру с длинными рукавами. А на самом деле это - форма для заливки лопаток. Мы как раз и наблюдаем процесс заливки, изменения цвета сигнализируют об изменении температуры. А можно еще попросить вывести на экран скорость течения металла, скорость кристаллизации… Можно смоделировать любую деталь и процесс ее функционирования (именно так и моделируются современные детали - идеальной формы для задуманной функции, и материала ровно столько, сколько нужно) - и рассматривать все это под разными углами: для этого в лаборатории 3D-визуализации (в народе - «черная комната») есть пять комплектов специальных очков. А можно создать максимально подробное изображение будущего здания (замка, интерьера) - сегодня этим широко пользуются архитекторы. Или столь же детализированный макет газоперекачивающей станции.

Но данная комната все-таки - прежде всего для авиации. Знаете ли вы, что сегодня авиастроители предпочитают делать лопатки и ступицу, к которой они крепятся, единым целым? Конечно, так прочнее, но это затрудняет дальнейшую обработку лопаток. Метод, который позволяет добиться такой же прочности крепления - сварка трением. И одно дело - просчитывать ее оптимальные параметры только при помощи вычислении, а другое - визуализировать процесс - что мы и наблюдаем.

При создании новых моделей теперь не нужны пластилиновые макеты, продувка модели в натуральную величину в аэродинамической трубе и краш-тесты.

А теперь перед нами - модель человека, полученная в результате МРТ. Можно убрать какую-нибудь кость с группой мышц и увидеть то, что под ними. Или визуализировать весь процесс будущей операции на конкретном человеке со всеми особенностями его организма. И медики уже активно изучают "электронного человека".

Обо всем этом нам рассказал ведущий научный сотрудник в области высокопроизводительных вычислений Александр Бикмеев. И модель человека, кстати, здесь демонстрируют тоже не случайно.

- Вот наши студенты, которые выполняют проект по визуализации моделей ДТП - вызванных столкновением машин либо попадаем в выбоину на дороге, -представил он троих сосредоточенных молодых людей, сидевших в углу за компьютерами. - Могли ли имеющиеся повреждения быть вызваны данным ДТП? А может, они появились раньше? Такая программа нужна автостраховой компании. А недавно проектом заинтересовались и медики: их интересует, какие повреждения получает тело пациента пи том или ином ДТП и соответственно - как лучше помочь ему в операционной.

Профессор Владимир Астанин демонстрирует лопатку из углепластика для перспективного двигателя. Она создана методом штамповки в режиме низкотемпературной сверхпластичности.

Также в арсенале авиастроителей УГАТУ - штамповка в режиме низкотемпературной сверхпластичности и деформационная обработка (тот же метод, который столетия назад применялся при изготовлении булатной стали, только теперь на научной основе). Собственно говоря, это нанотехнологии. Плюс электроплазменная полировка (например, лопаток газотурбинных двигателей) и нанесение различных покрытий - от металлических до керамических, защищающих детали двигателя от прогара. И первая в стране доктор технических наук по наноматериаловедению Наталья Дударева.

Лопатки после электролитно-плазменной полировки.