Разработка и создание малоразмерных аэрокосмических двигателей

Работа выполняется в рамках реализации Программы развития передовой инженерной школы федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» на 2022-2030 годы в целях достижения результатов федерального проекта "Передовые инженерные школы" в соответствии Соглашением №075-15-2022-1144 от 07.07.2022 о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий и Дополнительным соглашением №075-15-2022-1144/7 от 22.02.2024. Сегодня с резким ростом применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) повышаются спрос на создание высокопроизводительных комплексов и требования к эксплуатационным характеристикам беспилотных авиационных систем (БАС). Достижение эффективности и высоких эксплуатационных характеристик БПЛА связано с развитием малоразмерных двигателей. При этом, в зависимости от назначения БПЛА используются различные типы двигателей: поршневые для продолжительных полетов на низких высотах, газотурбинные для полетов на высокой скорости для широкого диапазона высот, или же ракетные двигатели малой тяги для создания высокого импульса на старте с земли или летательного аппарата, а также для сверхлегких ракет-носителей, используемых для вывода на орбиту нано и микроспутников. Малоразмерные газотурбинные двигатели (МГТД) обеспечивают высокие показатели удельной мощности, пониженную вибрацию, высокую скорость полета и всепогодность. МГТД в составе БПЛА может применяться не только в формате турбореактивного двигателя для создания реактивной струи, но и адаптироваться под любую схему беспилотника и выступать в качестве привода несущего винта или генератора электрической энергии для электрических моторов. В ходе анализа областей применения МГТД для БПЛА были выбраны две принципиальные конструктивные схемы двигателей – МГТД-20 (тягой 20 кгс) и МГТД-150 (тягой 150 кгс). Развитие компетенций в области проектирования, производства и испытаний МГТД позволит значительно ускорить процесс разработки новых моделей и типов отечественных БПЛА на территории Самарской области, а также поможет решить вопрос импортозамещения иностранных двигателей в уже существующих летательных аппаратах. Применение средств искусственного интеллекта и современных инженерно-вычислительных систем на КФФ позволит проводить междисциплинарное математическое моделирование процессов малоразмерных аэрокосмических двигателей, оптимизацию схемы и параметров рабочего процесса малоразмерных МГТД на стадии их начального проектирования. Для увеличения продолжительности полёта БПЛА вертикального взлёта и посадки используются гибридные силовые установки. Основным элементом гибридных силовых установок является авиационный поршневой двигатель. При этом, для создания таких двигателей целесообразно использовать модульную платформа ДВС мощностью 5-15 л.с. для БАС, которая закрывает широкий диапазон массогабаритных параметров с диапазоном тяги 14-50 кгс. Производство малоразмерных авиационных поршневых двигателей АПД-5 на базе КФФ позволит получить набор готовых решений (поршень, шатун, цилиндр, поршневые кольца, свечи, система питания и зажигания, система выпуска отработавших газов и т.п.), которые могут масштабироваться до широкого ассортимента ДВС требуемой мощности и ресурса с минимальными затратами на технологическое переоборудование и оснастку для последующего обслуживания. В диапазоне мощностей от 5 до 50 л.с. двухтактный поршневой двигатель превосходит четырёхтактный по массогабаритным характеристикам. Карбюраторная система питания на двигателе БПЛА предпочтительнее современной системы впрыска топлива, так как более устойчива к внешним электромагнитным воздействиям. Стальная гильза в сочетании с алюминиевым блоком цилиндров – это, с одной стороны, экономия массы, а с другой – ремонтопригодность и упрощение технологии изготовления ключевых комплектующих, определяющих базовые характеристики двигателя. На основе базового одноцилиндрового двигателя мощностью в 5 л.с. АПД-5 может быть оперативно создана линейка многоцилиндровых авиадвигателей разной мощности и схем: рядные, оппозитные, V-образные, звездообразные с числом цилиндров от двух до пяти. АПД-5 предназначен для малых БПЛА самолётного или вертолётного типа, которые могут применяться во многих областях — прежде всего там, где требуется наблюдение за различными объектами с помощью радиотехнических, оптических и инфракрасных методов. Создание ракетных двигателей малой тяги является на сегодняшний день актуальной задачей, так как наблюдается резкое повышение количества запусков спутников микро- и нано-класса, увеличивается частота запусков и требуется более точное позиционирование спутников на орбите. Запуск «лёгких» спутников на существующих ракетах-носителях в качестве дополнительной нагрузки к «тяжёлым» спутникам сопровождаются следующими проблемами: вывод не на ту орбиту, недостаточная частота запусков и высокий период ожидания запуска, необходимость согласования полётной траектории с основной нагрузкой, необходимость дополнительных приспособлений для вывода спутников на орбиту. Особенностями таких двигателей должны быть: возможность работы на экологических компонентах, простота конструкции и низкая стоимость. В рамках работ по проекту предлагается разработать ЖРДМТ, позволяющий изучать основные принципы его рабочего процесса. В качестве базы разработки и производства малоразмерных аэрокосмических двигателей используется КФФ, как единая система взаимодействующих физических и информационных компонентов двигателей на всех этапах их жизненного цикла (ЖЦ). Цифровая платформа представляет собой интегральную систему CAD/CAE/САО/САМ/ERP/APM/MDC/MES-компонентов, которая адаптируется к изменениям требований к изделиям и ограничений производства на базе технологии взаимосвязанного комплекса математических, физических и имитационных моделей объектов с соответствующими наборами параметров, входами/выходами, управляющими воздействиями, критериями, ограничениями и переменными оптимизации. На основе данных моделей проводятся процедуры имитационного моделирования, прогнозирования характеристик, отбора перспективных вариантов, оптимизации параметров, как ДСЕ, так и средств их производства, с сокращением дорогостоящих испытаний опытных образцов, натурных экспериментов и внесения дорогостоящих изменений в производственную, сбытовую, сервисную и инфраструктуру. Целью проекта является разработка и апробация прогрессивных конструкторских, технологических и производственных цифровых решений для создания аэрокосмических двигателей: МГТД, ЖРДМТ, ДВС. Достижение цели осуществляется с использованием научно-производственной цифровой платформы «Виртуальные испытания - Виртуальные стенды - Цифровые полигоны – Комплексная Компьютерная Модель» - «Реальные стенды и приемочные испытания», обеспечивающей снижение объемов дорогостоящих физических и натурных испытаний двигателей и, соответственно, стоимости производства и эксплуатации двигателей, а также базовые функциональные характеристики: тяга двигателя, межремонтный ресурс, удельный расход топлива. Ожидаемые результаты: Ожидаемые результаты в рамках научного исследования «Организация и оптимизация производственных процессов умной фабрики на базе технологий интегрированной реальности»: 1) Имитационная модель КФФ, включающая токарную, фрезерную и заготовительную ИПЯ. 2) Компьютерная модель транспортёра «Умного склада» для перемещения робота-манипулятора. Ожидаемые результаты в рамках научного исследования «Отработка прогрессивных конструкторско-технологических решений создания аэрокосмической техники»: 3) Модернизированная версия среды концептуального проектирования газотурбинных силовых установок АСТРА-ГТД, включающая инструменты идентификации компьютерной модели рабочего процесса ГТД и инструменты для поддержки принятия решений по производственным отклонениям; 4) Топливные композиции, пригодные для использования в МГТД; 5) Модели рабочего процесса МГТД-20, АПД-5, ЖРДМТ; 6) Электронные и технологические составы МГТД-20, ЖРДМТ, АПД-5 в пакете ЛОЦМАН:PLM. 7) Газодинамический подшипник для МГТД-150; 8) Комплекты предварительной конструкторской документации макетов (демонстраторов) АПД-5, ЖРДМТ и опытных образцов МГТД-20, лепесткового газодинамического подшипника для МГТД-150. 9) Комплекты предварительной технологической документации изготовления образцов-демонстраторов и опытных образцов: АПД-5, МГТД-20; 10) Макетные образцы (демонстраторы) АПД-5, ЖРДМТ и опытные образцы МГТД-20, газодинамического подшипника для МГТД-150; 11) Протоколы испытаний в лабораторных условиях малоразмерных двигателей: МГТД-20, АПД-5, ЖРДМТ.