Версия для слабовидящих
Трехмерная печать для цикла Джоуля Печать Email
Новости об инновациях
10.05.2016

Есть несколько вечных тем для разговора. Одна из них – торможение реального научно-технического прогресса. Ну, мол, все достижения происходят лишь в виртуальном мире информационных технологий. Быстрее процессоры, выше разрешение экранов. А в реальности – торможение с конца шестидесятых, с американских полетов на Луну. Те же ракеты на химическом топливе, те же термоядерные боеголовки, что и в пятидесятые.

А если в компании присутствуют еще сотрудники фирм бывшего союзного МАПа, или пилоты советской поры, то разговор неизбежно – хоть и не с первой бутылки – переливается на то, что погубленная реформами советская авиационная промышленность могла бы принести за пост-реформенные годы денег заметно больше, чем дал вывоз из страны невозобновляемых природных ресурсов. А еще вспоминается сверхзвуковой Ту-144, аналогов которому в современном мире летающих машин нет…

Давайте разберем эти мнения. Ну, вот водородная бомба – казалось бы тут прогресс застыл в пятидесятые, оборвавшись на рекордной «сотке»… Только вот современные изделия такого рода при равной мощности имеют куда меньший вес и габариты. Заряд, который может обратить в развалины крупный город, теперь может быть доставлен к цели достаточно малогабаритной ракетой (всякие ассоциации с изделиями «Искандер-М» и «Калибр» оставим на совести читателей).

Ввиду специфики темы из доказательств будет одно – поразительная сдержанность во взаимоотношениях с теми, у кого есть описанные выше изделия, которую проявляли и будут проявлять даже самые жирные державы планеты. Синтез легких ядер, запущенный «спичкой» деления ядер тяжелых так и остается старшим козырем. А теперь объемы и веса устройств, в которых такой синтез может протекать, существенно уменьшены. В значительной степени из-за роста вычислительных мощностей и совершенствования расчетных моделей.

И самолеты… Они только по функциональному назначению такие же, как в пятидесятые. Взлетают, садятся… Только вот характеристики у них совсем иные. Легкие металлы – в российском обиходном прозванные дюралем – все больше заменяются еще более легкими и технологичными композиционными материалами, обеспечивающие рекордные прочностные характеристики. А прочность и технологичность позволяет создать такие контуры планера самолета, которые обеспечивают наилучшие аэродинамические характеристики.

Ну и конечно то, что «вместо сердца». Вошедший в песню индустриальной эпохи «огненный мотор»! Казалось бы, на пассажирских лайнерах стоят те же самые газовые турбины, что и десятилетия назад. Вентиляторы засасывают воздух, сжимают его, в нем сжигают топливо, горячие газы выходят из камеры сгорания, создавая тягу и попутно крутя турбину, приводящую в действие вентиляторы. Вокруг этой схемы вертится все. Ну, иногда на ось – через редукторы – надевались наружные винты. Порой соосные, как на стратегическом бомбардировщике Ту-95, вращающиеся в противоположных направлениях. В этом случае мы имеем дело с турбовинтовым двигателем, ТВД. Он создает на относительно небольших скоростях потока бОльшую тягу при той же мощности турбины.

Иногда часть воздуха, засосанного вентилятором, направляется в обход турбины, создавая тягу в «холодном» виде – тут мы имеем дело с турбореактивным двухконтурным двигателем, ТРДД. Если объемы засасываемого вентилятором, но обегающего турбину воздуха велики – говорят о турбовентиляторном двигателе, ТВРД. Его можно рассмотреть как двигатель турбовинтовой, в котором пропеллер работает в тоннеле, увеличивая за счет этого тягу. Ну, все ведь видели дроны, где винты окружены кольцевыми обтекателями – это именно для этой цели.

Турбовентиляторный двигатель в книжках по авиации рисуют примерно так...

Турбовентиляторный двигатель в книжках по авиации рисуют примерно так…

В турбовентиляторном двигателе вентилятор может создавать до 70-80 % всей тяги двигателя. Да и работает он на больших скоростях, чем ТВД. Так что турбовентиляторные двигатели дают превосходные характеристики экономичности на характерных для пассажирских лайнеров скоростях. Но – There ain’t no such thing as a free lunch. За все в мире приходится платить. В случае с ТВРД – габаритами двигателя. Ведь для того, чтобы превратить мощность, снимаемую с турбины, нужно передать ее воздушному потоку. А это требует первой ступени вентилятора – той, поток с которой не попадает в камеру сгорания – очень больших размеров.

И еще эту первую ступень вентилятора надлежит «обернуть» профилированным каналом, образующим внутреннюю поверхность гондолы двигателя. Выходная часть канала образует сопло вентиляторного контура, откуда выбегает тот самый поток воздуха, создающий те самые 70-80 % тяги двигателя. Излишне говорить, что определение оптимального профиля такого канала представляет собой крайне сложную аэродинамическую расчетную задачу, на которую накладываются еще и прочностные краевые условия.

Ну а есть еще и «внутренняя» часть двигателя – ее можно считать обычным турбореактивным двигателем. Тут все определяется старым добрым циклом Джоуля, универсальным для тепловых машин. Для повышения эффективности нужно сжать загоняемый в камеру сгорания воздух до максимальной степени, и сжечь в нем горючее при максимально высокой температуре. На словах все очень просто – но вот в технической реализации есть небольшие проблемы, из-за которых газовые турбины появились много позже двигателей внутреннего сгорания, да и прижились только в авиации, на флоте и в спецтехнике.

Стенд для огневых испытаний GE9X's.

Стенд для огневых испытаний GE9X’s.

Посмотрим, как эти самые проблемы решаются фирмой General Electric Aviation при разработке нового турбовентиляторного двигателя GE9X’s, предназначенных для лайнеров семейства 777X – Watch the world’s biggest jet engine fire up: Prototype that will power Boeing’s 406 seat 777 ‘megaplane’ tested for first time. Двигатель этот будет самым большим в мире – первая ступень его вентилятора, того, создает большую часть тяги, имеет диаметр в 3,35 метра. Шестнадцать его лопаток выполнены из углепластика, который только и может работать на таких режимах. Ну а все одиннадцать ступеней компрессора позволяют сжать подаваемый в камеру сгорания воздух в 27 раз, что является рекордом для гражданских машин. Тяга – 45 тонн. Фирма уже получила заказы на 700 двигателей по цене $29 млн. каждый.

Все это позволяет сжигать топливо при высокой температуре, что нужно для подъема КПД. Это позволяют использованные в конструкции двигателя жаропрочные керамические композиты (ceramic matrix composites, CMCs), способные длительно работать при температуре в 1300 градусов Цельсия. Создают их с использованием технологий трехмерной печати. По той же 3D-технологии были отпечатаны и форсунки двигателя, имеющие крайне сложную форму. Контуры деталей двигателя, полученные в результате сложного компьютерного двигателя, представляют собой важнейшую тайну корпорации.

Но, обратим внимание – и само умение рассчитать облик деталей сегодня ничего не дает. Нужно иметь еще и доступ к материалам, необходимым для создания двигателя, и к технологиям работы с ними. Одной из важнейших которой является трехмерная печать жаростойкими материалами. Был в индустриальную эпоху маленький шедевр – пистолет Люгера, поразительно изящный и эргономичный. Только вот на изготовление девятисотграммового пистолета нужно было более шести килограммов металла, обрабатываемого квалифицированными станочниками более дюжины часов!

Причем дюжину часов занимало уже максимально вылизанное производство этой машинки. С жаропрочными сплавами такой роскоши позволить уже себе никто не может – поэтому используются безотходные и безлюдные технологии трехмерной печати. Результат? Ну, легендарный Ту-144 на пассажиро-километр съедал сотню грамм топлива. Ту-154 последних, самых доведенных версий – 27 грамм. 321-й «аэробус» – в полтора раза меньше… Беспощадная конкуренция с аэробусами заставляет «Боинг» и его подрядчиков выжимать каждый процент эффективности. Ну а отечественные лайнеры массово вернуться в небо смогут лишь при массовом внедрении в отечественную промышленность самых современных материалов и технологий. Знаете, у нас как-то принято считать Дональда Трампа веселым организатором конкурсов красоты – но вот он что говорит о конкурентных преимуществах США: «We need to think smarter about areas where our technological superiority gives us an edge. This includes 3-D printing, artificial intelligence and cyberwarfare.». Трехмерная печать и искусственный интеллект, все очень серьезно…

Источник - http://www.computerra.ru/146714/trekhmernaya-pechat-dlya-cikla-dzhoulya/

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта