Учёные показали новейшие технологии в действии

Как новосибирские исследователи совершенствуют методы борьбы со льдом, турбулентностью и износом

Ключевые разработки показали научные сотрудники Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН. Технологии, над которыми успешно работают спе­циа­листы, ориентированы на импортозамещение. Их можно применять в особенно чувствительных сферах — космической и авиационной.

На разработку и исследование опытных образцов выделяются средства грантов Российского научного фонда и правительства Новосибирской области. Ученые обновили приборную базу, создали малую климатическую аэродинамическую трубу, позволяющую исследовать процессы обледенения различных конструкций, и разработали технологии плазменного напыления и лазерной сварки.

Металлические связи

В фантастических фильмах научные открытия делают сумасшедшие ученые с всклокоченными волосами и в очках с толстыми стеклами. В жизни же все немного не так. Российские ученые выглядят скромно и явно увлечены задачей, над которой работают. О своих достижениях они рассказывают с вдохновением. Мы попали в Институт тео­ретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Академии наук в ходе пресс-тура и буквально с первых шагов окунулись в атмосферу гостеприимства: создавалось ощущение, что мы на интересной лекции с практическими занятиями.

Первой на пути оказалась лаборатория лазерных технологий. Кругом сложные установки, мониторы с графиками и данными. На входе стоит что-то напоминающее кофе-автомат, только у машины всего одно окно, за которым механизм с тонкой трубкой, высекая искры, выводит на поверхности какой-то рисунок. Позже выясняется, что к искусству это не имеет отношения — мы видим 3D-принтер по металлу.

В лаборатории лазерных технологий создали метод высокопрочной лазерной сварки авиационных материалов — титановых, алюминиевых и алюминиево-литиевых сплавов, в том числе и разнородных. Фото: Алёна Коврова

— Он позволяет печатать сложные детали титановыми, никелевыми жаропрочными сплавами и нержавейкой, — рассказывает младший научный сотрудник Михаил Булов. — 3D-модель изделия подготавливается в программе, там же режется на слои. Затем слой за слоем порошок наносится на рабочий стол и сплавляется лазером. Деталь высотой два сантиметра — это около тысячи слоев. Технология позволяет получить детали даже сложной формы. Металл очень трудно расплавить: например, для титана нужна температура плюс 1500 градусов Цельсия, ее удается достичь за счет режима лазерного излучения.

Недалеко от принтера в отдельном помещении — установка аддитивного выращивания, тоже 3D-принтер, но мощнее. С его помощью осуществляется лазерная сварка, закалка, наплавка. Так, например, восстанавливаются рабочие лопатки газотурбинных установок, что дешевле, чем создать новую деталь.

— Изношенные части заплавляются лазерным излучением, далее — плазменное напыление керамикой от износа, — рассказывает о процессе старший научный сотрудник Александр Голышев.

Сферический дрон разработан для измерения турбулентности атмосферы. Фото: Алёна Коврова

Технология интересна для предприятий Новосибирской области. На «Гормашэкспорте», в частности, проходит испытание зубьев горнодробильной машины, на которые нанесли защитное покрытие. Через полгода будет понятно, насколько оправдана эта мера. Сейчас есть данные, что при такой обработке прочность изделий увеличивается в пять раз.

— Процесс лазерной наплавки позволяет либо восстанавливать изделия, либо создавать защитные покрытия. Происходит подбор материалов, режимов и постобработка, — говорит Александр Голышев. — При этом лазерное излучение может сфокусироваться на маленьком пятнышке. Шов получается равнопрочный, иногда прочнее материала.

Подконтрольное возмущение

Как исследовать воздействие погодных условий на летательный аппарат на большой высоте в лабораторных условиях? Решение этой задачи наши ученые тоже нашли, собрав из десятков маленьких вентиляторов аэростену. Почти год ушел на то, чтобы посредством программного обеспечения научиться манипулировать каждым устройством в стене отдельно. Параллельно с этим была создана и модель летательного аппарата. Теперь две эти разработки, расположенные друг напротив друга, позволяют производить расчеты, необходимые для предотвращения внештатных ситуаций на высоте.

Разработки ИТПМ СО РАН укрепляют технологический суверенитет страны в соответствии с задачами нацпроектов «Беспилотные авиационные системы» и «Промышленное обеспечение транспортной мобильности». Фото: Алёна Коврова

— Полет происходит в разных условиях, в том числе в условиях турбулентности, — рассказывает старший научный сотрудник Павел Поливанов. — В критических условиях самолет может разбиться из-за больших порывов ветра. Мы выстраиваем динамику полета аппарата в атмосфере. Это контролируемое возмущение, где каждый вентилятор управляется отдельно. Мы можем вызывать возмущение по времени, создавая неоднородность.

После разработки стены ученые перешли к работе с летательным аппаратом, который имитирует реальный самолет. Такого эффекта удалось достичь, установив его на шаровой подвес. Сегодня необходимо «обучить» устройство взаимодействовать с программным обеспечением.

— Одна из важных задач — обмануть его программу позиционирования. При испытаниях в стендовых условиях мы не потеряем летательный аппарат: каким бы страшным ни был порыв ветра, «самолет» в штопор не сорвется и не упадет. Также тут проще контролировать датчики, измерять поток воздуха. А еще можно повторять условия, чего во время настоящего полета не сделать, — уточняет Павел Поливанов.

Испытания проводят и с беспилотными летательными аппаратами. Для этой цели разработан шарообразный БПЛА, позволяющий корректно измерять ветровую нагрузку.

Сканирование ледяного нароста

В начале 2020 года при институте началось строительство малой климатической аэродинамической трубы, в 2024-м установка была введена в эксплуатацию.

Малая климатическая аэродинамическая труба предназначена для исследования процессов обледенения летательных аппаратов, гражданских сооружений, объектов энергетической инфраструктуры, отработки методов противообледенительной защиты. Фото: Алёна Коврова

С ее помощью уже проводят исследования процессов обледенения и летательных аппаратов, и промышленных конструкций. Также отрабатываются методы противообледенительной защиты. Как утверждают ученые, установка не имеет аналогов в России. Эксперименты, которые проводят с ее помощью, позволят проектировать новые самолеты, беспилотные летательные аппараты, развивать ветроэнергетику в приполярных районах.

— Включаем двигатель, воздух начинает циркулировать, далее включаем захолаживание потока, дожидаемся выхода на нужную температуру, а после включаем впрыск воды, — рассказывает о принципе работы установки младший научный сотрудник Андрей Шмаков. — В рабочей части на модели получаем ледяные наросты при тех режимах, которые хотим исследовать. Затем происходит 3D-сканирование ледяного нароста.

Тематика исследования обледенения существует давно, ей занимались и в Советском Союзе. Наша установка используется для проведения как прикладных, так и фундаментальных исследований. Она позволяет с малыми затратами проводить испытания датчиков, противообледенительных покрытий и средств, жидкостей, испытывать метео­рологические зонды нашего регио­на. Можно исследовать, как обледеневают вантовые конструкции моста.

Устройство представляет собой замкнутый контур, в котором охлаждается воздух, в рабочую часть устанавливается модель. Скорости набегаю­щего потока находятся в диапазоне от пяти до 50 м/с, температура — от минус 30 до плюс пяти по Цельсию.

В институте разработали и изготовили установку плазменного напыления «Термоплазма-50». Она применяется для нанесения защитных покрытий различного назначения. Фото: Алёна Коврова

Еще одна из разработок сибирских ученых была представлена на участке плазменного напыления. Установка «Термоплазма-50» используется для нанесения различных покрытий. Комплекс реализован на плазматронах, с помощью которых на промышленных предприятиях на оборудование наносятся теплозащитное, износостойкое, коррозионностойкое покрытия на металлической и керамической основе. Это направление плазменного нанесения покрытий развивалось на научном фундаменте, заложенном в Новосибирске в 1960-х годах. Сегодня ученые вышли на уровень производства промышленных установок.

КОММЕНТАРИЙ
Ирина Мануйлова, заместитель губернатора Новосибирской области:

— Мы увидели установки, разработанные коллективом института для решения прикладных задач наших промышленных предприятий, предприятий энергетики, нефтедобычи, задач в области космоса, транспорта, авиации, в том числе беспилотных систем. Компетенции нужно использовать, а продукцию — тиражировать. Результаты решают задачу импортозамещения и работают на импортоопережение.
Правительство Новосибирской области выделяет достаточно средств для осуществления трансфера технологий. Мы помогаем нашим инноваторам, научным коллективам довести разработку до пилотного промышленного образца. Поэтому стипендии, премии правительства, гранты на выполнение трансфера технологий, гранты РНФ, которые идут на условиях программы софинансирования от правительства региона и фонда РНФ «50 на 50» — все это на протяжении многих лет ежегодно получают как отдельные научные сотрудники, так и научные лаборатории и коллективы Института теоретической и прикладной механики.
Мы рассматриваем институт как перспективный в реализации задач технологического лидерства, выполнении нацпроектов в области современных транспортных систем, авиа­строения, развития космической отрасли, БПЛА, новых материалов.