Для Земли и космоса

Специалисты Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН готовят к запуску в массовое производство новые изобретения

Сколько стоит ВИКИНГ и когда циклолеты запустят в массовое производство, мы узнали, побывав по приглашению регионального миннауки в Институте теплофизики СО РАН. Цикл таких ознакомительных туров в рамках популяризации региональной программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0», стартовал в Год науки и технологий. Новый 2022-й продолжает эту традицию.

В 2021 году Институт теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) стал одним из победителей конкурса по созданию центров трансфера технологий, проводимого Министерством науки и высшего образования РФ. Об этом директор учреждения академик РАН Дмитрий Маркович рассказал на встрече с журналистами в минувшую пятницу.

Когда запустят аэротакси?

— Сегодня мы с руководством министерства науки и инновационной политики Новосибирской области обсудили развитие Центра трансфера технологий ИТ СО РАН, который организован на основе гранта, полученного от Минобр­науки. В Новосибирске реализуются три таких проекта — в НГУ, НГТУ и Институте теплофизики СО РАН. У нас база для центра трансфера технологий развивалась на протяжении последних двадцати лет. Функционировал и продолжает работать отдел инновационной, прикладной и внешнеэкономической деятельности. Наша деятельность как научного института, занимающегося фундаментальными исследованиями в направлении реального времени, внедрения тех научных результатов, которые мы получаем, — это наша главная задача. И здесь очень важна поддержка администрации Новосибирской области, поскольку контакт с реальным сектором экономики, с конкретными предприятиями для нашего института очень значим.

Дмитрий Маркович рассказал о нескольких проектах, над которыми в Институте теплофизики сейчас работают. Например, уже через три года здесь планирует запустить тестовую модель летающего автомобиля.

Фото: Светлана Фролова

— Недавно мы закончили работу с Фондом перспективных исследований по созданию демонстратора летательного аппарата на альтернативных принципах — мы его назвали циклолетом. Прямо за мной стоит 60-килограммовый макет-демонстратор. Он совершил первые тестовые полеты в начале 2021 года. И на этой основе мы движемся к созданию более крупномасштабного аппарата — весом 2,5 тонны, с полезной нагрузкой около 600 килограммов для различных целей. В общем, это летающий автомобиль, — рассказал директор ИТ СО РАН.

В перспективе такая машина может использоваться и как спецавтомобиль МЧС, и как карета скорой помощи, и даже как… городское такси. Подобные проекты сейчас развивают во многих странах.

— По сравнению с типичной вертолетной техникой циклолет обладает определенными преимуществами. Конечно, он никогда не заменит дроны и вертолеты, но займет свою нишу, — считает Дмитрий Маркович. — Для городской аэромобильности особенно важно одно из его качеств — низкий уровень шума. У циклолета нет открытых лопастей, и такие аппараты в перспективе, возможно, займут свое место в транспортной системе крупных городов. Подобные проекты сейчас развиваются в пяти-шести странах мира, но Россия на уровне создания демонстраторов является лидером. Очень важна государственная поддержка таких проектов, например от Фонда перспективных исследований. Результатом такой поддержки является создание демонстратора.

Дмитрий Маркович уточнил, что сейчас к аппарату есть интерес со стороны как государственных структур, так и коммерческих.

— Если мы доведем его — я надеюсь, это произойдет в ближайшем будущем, — до уровня аэротакси, аппаратов для МЧС или скорой помощи, то, конечно, спрос будет, — сказал руководитель института. — Другой вопрос, что параллельно необходимо уже сейчас трансформировать законодательную базу, которая регламентирует полеты внутри городских образований. Сейчас в России разрешены полеты только небольших аппаратов, весом до 30 килограммов. Даже наш демонстратор весом 60 килограммов мы можем испытывать только на отдельных полигонах. В соответствии с предварительным графиком, согласованным Институтом теплофизики и Фондом перспективных исследований, двухтонный демонстратор планируется запустить в течение четырех лет.

Набор уникальных установок

Дмитрий Маркович также показал журналистам макет Исследовательского комплекса аэродинамики, машиностроения и энергетики, который планируется создать в новосибирском Академгородке. Этот проект поддержали четыре института СО РАН — Институт теплофизики, Институт теоретической и прикладной механики, Институт гидродинамики и Институт химической кинетики и горения.

— Мы разрабатываем его в рамках программы «Академгородок 2.0» как один из базовых инфраструктурных проектов. Он зафиксирован в этой программе и стоит в ряду флагманских. Представляет собой набор уникальных экспериментальных установок для изучения базовых процессов в энергетике и транспортных системах. Интерес к центру уже проявляют корпорации «Рос­атом», «Роскосмос» и «Рос­тех». В комплекс войдут аэродинамические трубы, напорные стенды и так далее, — сообщил Дмитрий Маркович.

После получения финансирования проект предполагается реализовать за пять-шесть лет. Стоить такой комплекс будет около 19 миллиардов рублей.

— Сейчас идет подготовка федеральной адресной инвестиционной программы, для того чтобы он вошел во все графики финансирования. И есть еще вопросы, которые нам нужно решить с областными и городскими структурами. В частности, касательно энергетического обеспечения, поскольку довольно большие мощности требуются для реализации этого проекта, — уточнил Дмитрий Маркович.

Такой полезный холод

Также новосибирские ученые занимаются разработкой системы охлаждения для электроники. Как рассказал заведующий лабораторией интенсификации процессов теплообмена ИТ СО РАН доктор физико-математических наук Олег Кабов, в институте сделан расчет для СКИФа (ключевой проект региональной программы «Академгородок 2.0») по системе охлаждения, которая основана на принципе микро- и мини-каналов. С помощью предложенной системы удастся увеличить тепловыделение в три раза.

— Лучший показатель до нас был у испанского синхротрона, — отметил исследователь. — Однако поставленная проблема еще сложнее. Дело в том, что, когда был спроектирован первый вариант СКИФа, ученым пришлось уменьшить плотность теплового потока на первом элементе, с которым встречается синхротронное излучение, в четыре-пять раз, потому что не удалось быстро решить вопрос о термостабилизации, то есть об отводе тепла. Первый элемент — это сделанное из алмаза стекло толщиной примерно 300 микрон и диаметром около 70 миллиметров. Мы уже оптимизировали нашу конструкцию и смогли достичь определенной температуры, но все равно это много, лучше еще снизить. Будем продолжать исследования в этом направлении, у нас есть еще два-три года. То есть программа СКИФ, вторая очередь, будет сформирована примерно в 2024 году, а реализация будет несколько позже.

Для компьютерных чипов ученые ИТ СО РАН тоже предложили новую систему охлаждения. Ее суть в течении и испарении тонкой пленки жидкости, увлекаемой потоком газа, в микроканале. Максимальный тепловой поток, который уже сейчас может отводить такая система в зависимости от скорости газа и расхода жидкости, — 1,3 киловатта на квадратный сантиметр.

— Это рекорд для пленочных течений и рекорд в России, — подчеркнул Олег Кабов. — Такая система хоть и сложнее классических микроканальных и спрейных, но более мобильна, эффективна по теплообмену и надежна.

Чтобы гидротурбины работали лучше и дольше

Научный сотрудник лаборатории физических основ энергетических технологий ИТ СО РАН Михаил Тимошевский показал журналистам стенд для исследования процессов, происходящих на ГЭС.

Экспериментальный гидродинамический стенд. По нему циркулирует около двух кубометров воды, которая разгоняется насосами, проходит через термостат и специальные контуры, чтобы сформировать набегающий поток, потом попадает в рабочую часть, где расположены нужные объекты. Ученые варьируют различные параметры и фиксируют процессы различными скоростными камерами, используя для визуализации лазеры и другие способы. Набранные таким образом экспериментальные статистические данные затем анализируются и предоставляются расчетным группам. Фото: Светлана Фролова

— Исследования проводятся на моделях лопаток, уменьшенных в тринадцать раз. Мы смотрим процессы эрозии, моделируем их и пытаемся понять, найти различные методы управления ими, чтобы минимизировать вред, — рассказал он. — Те данные, которые мы получаем на наших стендах, могут упростить и удешевить работу любой ГЭС. Эти лопатки являются элементами, направляющими воду на основную турбину, и требуют сервисного обслуживания каждые 5–10 лет. Из-за эрозионных процессов, которые мы исследуем, это время сокращается, приходится чаще проводить ремонт или замену. Когда мы поймем, как уменьшить негативное воздействие, обслуживание ГЭС станет дешевле и она будет работать стабильнее и дольше. Один из самых простых и надежных способов улучшить лопатки — модернизировать поверхность, то есть сформировать какие-то выступы, впадины, бугорки. Или нанести те или иные покрытия, которые увеличивают или уменьшают шероховатость, изменяя свойства обтекания поверхности. Или воздействовать на поток — впрыскивать жидкость либо воздух, чтобы постараться уйти от эрозии.

ИТ СО РАН работает с производителем гидротурбин — Ленинградским металлическим заводом. А результаты, которые были получены по итогам исследований, вошли в рекомендации по ремонту и модернизации Саяно-Шушенской ГЭС.

«Мусорная» реформа для космоса

Заведующий лабораторией молекулярной газодинамики Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН доктор технических наук, профессор Вячеслав Ярыгин продемонстрировал гостям одну из установок, созданных в институте, которая практически один в один воспроизводит служебный модуль «Звезда», в котором космонавты живут по полгода, а некоторые и по году.

ВИКИНГ помогает проводить исследования по термогазодинамике двигателей космических кораблей и орбитальных станций. Фото: Светлана Фролова

— Мы, когда заходим внутрь, немного ощущаем себя космонавтами, — признался профессор. — Одна из больших проблем станции — я бы даже сказал, экологическая проблема — связана с работой двигателя. А именно с ее вредным воздействием, в том числе на людей. Двигатели космической станции работают на топливе с очень агрессивными компонентами, и значительная часть опасных выхлопов может попасть внутрь станции, в том числе на приборы и космонавтов. Об этой проблеме не очень говорят, но она серьезная. Вдыхание этих паров приводит к онкологии. Поэтому перед нами была поставлена задача минимизировать вредное воздействие. ВИКИНГ — вакуумная имитационная камера для исследования неравновесной газодинамики — одна из крупных установок, работающих в нашей стране, создана по заказу РКК «Энергия» 35 лет назад. В тех рублях она стоила примерно 1,5 миллиона. За доллар тогда давали 65 копеек. Сейчас, я думаю, она могла бы стоить сотни миллионов рублей.

Новосибирские ученые выполнили на установке ряд экспериментальных исследований, благодаря которым были спроектированы и произведены защитные устройства для двигателей различных блоков Международной космической станции. В двухтысячных годах их доставили на МКС и установили на двигатели ориентации служебного модуля. Но эксперименты продолжаются до сих пор.

— То есть усовершенствование экранов идет непрерывно по мере изменения требований к работе двигателей. А использование этих устройств позволяет в тысячу раз уменьшить обратные загрязняющие потоки, — подчеркнул Вячеслав Ярыгин.