12 апреля – День космонавтики. Кто из детей или взрослых не мечтал о межпланетных путешествиях… Задачи, которые ставит перед человечеством исследование Вселенной, не один век уже служат стимулом для развития физики, биологии, инновационной инженерии.
Несколько центров, выпускающих авиационную и космическую технику, сосредоточены как раз у нас на Урале. А центром образования, питающим аэрокосмическую промышленность квалифицированными кадрами, является Южно-Уральский государственный университет. В 1957 году, одновременно с выходом на орбиту первого искусственного спутника Земли, в Челябинском политехе открылся аэрокосмический факультет. Сегодня в университете действует Центр ракетно-космической техники имени академика В. П. Макеева.
Наш собеседник – начальник Центра Виктор Фёдоров, кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой летательных аппаратов. «Я редкий человек, у которого одно место работы в трудовой книжке», – с улыбкой признаётся он. Вот пример верности любимому делу: в 1987 году Виктор Борисович окончил ЧПИ, остался на кафедре автоматизации механосборочного производства, долгое время руководил УНИД вуза, а сегодня исполняет обязанности заместителя заведующего кафедрой летательных аппаратов в ЮУрГУ.
От исследовательских групп до сокровищ Лаборатории-100
– Центр ракетно-космической техники возник три года назад на базе учебных лабораторий аэрокосмического факультета ЮУрГУ, прежде всего на базе учебного центра ракетной техники, где располагаются образцы аэрокосмической техники.
Для работы по проектам УМНОЦ и по грантам губернатора в составе Центра созданы четыре лаборатории: лаборатория беспилотных летательных аппаратов, лаборатория двигателей, лаборатория систем управления и молодёжная научно-исследовательская лаборатория материаловедения и газодинамики.
Также в состав центра вошли учебная лаборатория аэрокосмических технологий и учебная лаборатория аэрокосмической техники. Последняя известна также как демзал, «Лаборатория-100». Бессменным её руководителем является Андрей Шмаков, которому удалось собрать выдающуюся коллекцию ракетной, аэрокосмической техники. Для России такая коллекция уникальна, она помогает в учебном процессе студентам ЮУрГУ, на её базе повышают квалификацию молодые специалисты из ГРЦ имени Макеева (г. Миасс) и других предприятий страны. Многие изделия, размещённые в лаборатории созданы в ГРЦ, и переданы ЮУрГУ на ответственное хранение.
Работа центра ракетно-космической техники активно поддерживается правительством Челябинской области.
Погружение с первого курса
– Основная задача Центра – учить, повышать квалификацию нашей молодёжи: студентов, магистрантов, аспирантов, тех, кто приезжает к нам на стажировку.
По свидетельству предприятий партнёров, уровень дипломных работ с каждым годом растёт, а значит растёт и квалификация выпускников. Ребята с большим энтузиазмом включились в разработку новых перспективных образцов и на выходе из ЮУрГУ становятся ценными кадрами для ракетно-космической индустрии.
Студенты проводят исследования: строят математические модели, участвуют в создании действующих макетов, испытательных стендов, участвуя в испытании образцов, верифицируют свои модели данными практики. Немало таких работ поддержано грантами.
В ЮУрГУ существенно модернизированы учебные планы по специальности «ракетостроение». Благодаря новому законодательству, преподаватели Центра сами активно участвуют как в модернизации учебных стандартов, так и рабочих программ.
Поэтому студенты ЮУрГУ с первого курса как изучают базовые дисциплины, необходимые каждому инженеру, так и знакомятся с современными тенденциями развития авиа- и ракетостроения.
Первокурсники имеют возможность посещать Лаборатории-100 и создавать свои первые цифровые модели ракет. На втором курсе есть повод задуматься о специализации и о выборе будущего работодателя.
Свои результаты ребята представляют на студенческой конференции «Астероидная безопасность. На конференцию приезжают молодые исследователи из Самары, Санкт-Петербурга и других городов.
Включение ЮУрГУ в число опорных вузов Роскосмоса помогает наладить связи между учебно-научными центрами авиа- и ракетостроения по всей стране. В разных вузах есть уникальные коллекции образцов техники, например, в Москве, в МГТУ имени Баумана. И, конечно, многим специалистам отрасли коллекция аэрокосмической техники ЮУрГУ была бы интересна.
Лаборатория БПЛА
– Первые работы по беспилотным летательным аппаратам начались в вузе ещё 15-17 лет назад. Герман Платонович Вяткин выделил средства на запуск процесса.
Сейчас в рамках губернаторского гранта лаборатория разрабатывает широкий спектр направлений: здесь и электродвигатели, и электронные системы управления двигателем, и винтомоторные группы – летательные атмосферные аппараты, демонстратор самолетной системы с вертикальным взлётом, «тейл-ситтер». В работе над беспилотниками участвуют и третьекурсники, и молодые инженеры – наши выпускники.
В транспортном машиностроении есть главный критерий эффективности – удельная мощность или тяговооружённость, киловатт на килограмм полезной массы.
Компания Сименс заявила о создании электродвигателей винтомоторной группы мощностью десятки киловатт (до 50 кВт) с тяговооруженностью 5 квт/кг.
ЮУрГУ приближается к решению амбициозной задачи: такая же тяговооружённость для двигателей киловаттной мощности (3-5 кВт). Результат достигается за счет оптимизации конструкции, обмоток, использования инновационных материалов.
Сфера применения беспилотников широка: обзор, наблюдение, мониторинг едва ли не в любой отрасли. С коллегами из ЮУрГАУ сотрудники центра обсуждают сегодня тематику агродронов. Существующие летательные аппараты на базе коптеров, может, и универсальны, но малоэффективны. Колесные беспилотные аппараты, хотя и «вытаптывают» часть посевов, с распылением аэрозолей справляются куда лучше. Задача учёных: сочетать эффективность обработки и возможности безопорного транспорта.
Ещё одно интересное направление – разработка «тейл-ситтеров», летательных аппаратов с вертикальным взлётом и посадкой. Над этой идеей размышляют давно: скажем, на морском судне не всегда достаточно места для взлётно-посадочной полосы, чтобы дать взлететь самолёту. Для взлёта применяются хитрости вроде катапульт, не менее сложной для пилота становится посадка.
В наше время интерес к таким аппаратам возродился благодаря современным электронным средствам управления, способным обрабатывать большое количество данных. В ЮУрГУ сегодня исследуют динамику движения таких аппаратов, строят математические 3D-модели.
Здесь изобретают ракеты
– Одной из задач, стоявших перед Центром при его создании, было создание научно-технического задела для реализации проекта УМНОЦ – демонстраторы технологий многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя на базе двигателей с внешним расширением. Идею выдвинул ГРЦ, поддержал губернатор Алексей Текслер.
Основное внимание здесь уделяется математическому моделированию и физическому макетированию – созданию действующего макета многогокамерного двигателя с соплом внешнего расширения.
Исследователи ЮУрГУ сначала разработали двигатели на спирте и кислороде. Образцы оказались вполне «жизнеспособны», выдержав комплексные испытания (кроме учёта тяги, температуры, составлялся ещё и вибропортрет двигательной установки). Затем пришёл черёд пары кислород-водород – создана эффективная математическая модель газодинамических процессов, учитывающая химическую кинетику (порядка 50 реакций внутри камеры, влияющих на температуру двигателя). Ещё вариант: кислород-метановый двигатель, где предстоит учитывать до 150 эндо- и экзотермических реакций – в процессе моделирования.
Созданы топливные баки из композитных материалов, проведены их успешные испытания на прочность в криогенных условиях – с жидким азотом. Исследуются и другие композитные и аддитивные технологии, чтобы с помощью инновационных материалов и покрытий повысить стойкость компонентов ракеты.
В центре есть лаборатория систем управления, которая занимается созданием алгоритмов управления вертикальным взлетом и посадкой, систем навигаций.
Когда ближайший рейс на Марс?
– Задачи космологии – очень вдохновляющие для человечества и интересны с точки зрения фундаментальной науки. Однако давайте поговорим о тех из них, что имеют потенциальное инженерное решение.
Изучение того, что находится за пределами нашей галактики – задача астрономов и астрофизиков, здесь им в числе прочего очень помогают наблюдения с орбитальных телескопов. Однако масштаб времени и наши современные представления о физике не дают надежды попасть туда в обозримом будущем .
А вот внутри Солнечной системы мы подходим к рубежу межпланетных перелетов. И здесь надежда на ядерные транспортно-энергетические модули.
Ракеты с плазменно-ионными двигателями имеют по сравнению с «химическими» ракетами меньшую «тягу», зато в несколько сотен раз больший удельный импульс.
Уже сейчас обсуждается комплексная межпланетная экспедиция на базе транспортно-энергетического модуля и межпланетного буксира – посещение Марса, уход в систему Юпитера, изучение спутников, может быть Сатурн – чем не «космическая одиссея»?
Не будут ли ядерные отходы «засорять» космос? Но сегодня на орбитах планеты скопилось уже некоторое количество отработанных спутников, в том числе с радиоактивными компонентами. Ещё одна задача – проблема их утилизации. Там немало полезного металлического лома – алюминий, титан, сталь, никель, молибден. Можно с помощью космических буксиров доставлять их обратно на землю, что затратно. Но есть и другая идея – выводить их на орбиты захоронения. Как знать, может быть такая космическая база вторичного сырья однажды найдёт своё применение.