АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Труды

XIX Международной научно -технической

конференции

и школы молодых ученых, аспирантов и студентов

АКТ-2018

НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ОБЛАСТИ АВИАЦИОННЫХ, КОСМИЧЕСКИХ И ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

г. Воронеж, 18-19 октября 2018 г.

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ВГТУ)

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК (РАЕН) РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ПРОБЛЕМ КАЧЕСТВА (АПК)

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН (ИКИ РАН) РГП НА ПХВ «РУДНЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ»

(Казахстан)

ВОЕННЫЙ УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВОЕННО-ВОЗДУШНЫХ СИЛ «ВОЕННО-ВОЗДУШНАЯ АКАДЕМИЯ ИМ. ПРОФЕССОРА

Н.Е.ЖУКОВСКОГО И Ю.А.ГАГАРИНА» ПАО «ВОРОНЕЖСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ

САМОЛЁТОСТРОИТЕЛЬНОЕ ОБЩЕСТВО» МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ НИУ

ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ (МИЭМ НИУ ВШЭ) ВОРОНЕЖСКИЙ ФИЛИАЛ РОСТОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ООО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ АВИАПРОЕКТ»

Труды XIX Международной научно-технической конференции

и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ»

(АКТ-2018)

II Тур

г. Воронеж, 18 -19 октября 2018 г.

Воронеж 2018

УДК 629.7(06) ББК 39.5я43 Н34

Авиакосмические технологии (АКТ-2018): Труды XIX Международной научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов.– Воронеж: ООО Фирма «Элист»; 2018. - 466 с.

ISBN 978-5-87172-096-7

В трудах нашли отражение вопросы технологической механики и механики деформируемого твердого тела, аэродинамики, тепломассообмена, математического моделирования, управления полётом летательных аппаратов, автоматизированного проектирования и управления процессами разработки и производства летательных аппаратов и двигательных установок авиационной и космической техники. Опубликованные материалы соответствуют перечню Критических технологий Российской Федерации, утвержденному президентом РФ (технологии создания и управления новыми видами транспортных систем; технологии создания новых поколений ракетной, авиакосмической и морской техники; технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем) и научному направлению «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении, и ракетно-космической технике» ВГТУ.

Сборник предназначен для научных, инженерно-технических работников, аспирантов и студентов.

Материалы докладов публикуются в авторской редакции. Редакционная коллегия:

В. И. Корольков – д-р техн. наук, проф. – ответственный редактор И. Г. Дроздов – д-р техн. наук, проф.

В. И. Ряжских – д-р техн. наук, проф.

©Коллектив авторов, 2018

©Оформление. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»;

ООО Фирма «Элист », 2018

2

ОГРАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ КОНФЕРЕНЦИИ

Председатель оргкомитета

Колодяжный Сергей Александрович – ректор ВГТУ

Заместители председателя оргкомитета

Ряжских Виктор Иванович - д-р техн. наук, проф., декан факультета машиностроения и аэрокосмической техники ВГТУ

Корольков Владимир Иванович – д-р техн. наук, проф., академик АПК, член-корр. РАЕН, почетный работник высшего образования, зав. кафедрой «Самолетостроение» ВГТУ

Члены оргкомитета

Валюхов Сергей Георгиевич - д-р техн. наук, проф., академик РИАН, зав. кафедрой нефтегазового оборудования и транспортировки ВГТУ

Краснова Марина Николаевна - канд. техн. наук, доц., зам. зав.

кафедрой автоматизированного оборудования машиностроительного производства ВГТУ Рачук Владимир Сергеевич – д-р техн. наук, проф., лауреат Гос.

премии РФ, академик МАА, РАК, РИА, заслуженный конструктор РФ, зав. кафедрой ракетных двигателей ВГТУ

Селиванов Владимир Фёдорович – д-р техн. наук, проф., почетный работник высшего образования, зав. кафедрой технологии сварочного производства и диагностики ВГТУ

Смоленцев Евгений Владиславович - д-р техн. наук, проф., член-

корр. РАК, зам. зав кафедрой технологии машиностроения ВГТУ

Недикова Светлана Вячеславовна – ведущий инженер кафедры самолетостроения ВГТУ

3

Самохвалов Валерий Викторович – канд. техн. наук, доцент кафедры самолетостроения ВГТУ Будник Александр Павлович - канд. техн. наук, доцент кафедры самолетостроения ВГТУ

Некравцев Евгений Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры самолетостроения ВГТУ Рыжков Владимир Витальевич - канд. техн. наук, доцент кафедры самолетостроения ВГТУ

Чашников Александр Михайлович – зав. лабораториями кафедры самолетостроения ВГТУ

4

НАУЧНЫЙ КОМИТЕТ КОНФЕРЕНЦИИ

Председатель научного комитета

Дроздов Игорь Геннадьевич – д-р техн. наук, профессор, проректор по научной работе ВГТУ

Заместитель председателя научного комитета

Ряжских Виктор Иванович - д-р техн. наук, проф., декан факультета машиностроения и аэрокосмической техники ВГТУ

Члены научного комитета

Булыгин Юрий Александрович - д-р техн. наук, проф., ВГТУ Верещиков Дмитрий Викторович – канд. техн. наук, зав. кафедрой ВУНЦ ВВС

Ветров Вячеслав Васильевич - д-р техн. наук, проф., ТулГУ Копылов Юрий Романович - д-р техн. наук, проф., ВГТУ Корольков Владимир Иванович – д-р техн. наук, проф., академик АПК, член-корр. РАЕН, зав. кафедрой ВГТУ

Кретинин Александр Валентинович - д-р техн. наук, проф., ВГТУ

Крук Александр Тимофеевич - д-р техн. наук, проф., академик АПК Мазур Игорь Петрович - д-р техн. наук, проф., Липецкий ГТУ

Максименков Владимир Иванович - д-р техн. наук, проф., академик АПК, ВГТУ

Мозговой Николай Васильевич - д-р техн. наук, проф., зав.

кафедрой ВГТУ

Смоленцев Евгений Владиславович - д-р техн. наук, проф., член-

корр. РАК, ВГТУ

Соломонов Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф.,

Воронежский филиал МИИТ

Хван Дмитрий Владимирович - д-р техн. наук, проф., ВГТУ

5

Список организаций, участвующих в конференции:

1.Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»)

2.Воронежский государственный технический университет (ФГБО ВО ВГТУ)

3.Воронежский государственный университет (ФГБО ВО ВГУ)

4.Филиал Ростовского госуниверситета путей сообщения в г. Воронеж

5.АО «Концерн «Созвездие» г. Воронеж

6.ОАО НКТБ «Феррит» г. Воронеж

7.Иркутский национальный исследовательский технический университет

8.АО «Конструкторское бюро химавтоматики» г. Воронеж

9.ЗАО «Инновационные технологии и решения» г. Москва

10.Рудненский индустриальный институт г. Рудный, Республика Казахстан

11.ПАО «ВАСО» г. Воронеж

12.ООО «Измерон» г. Воронеж

13.Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков

14.Воронежский государственный аграрный университет

6

Направление I

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СОЗДАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВИАЦИОННЫХ, КОСМИЧЕСКИХ И ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

УДК 544.6

ПЕРСПЕКТИВЫ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В АВИАЦИИ

Ю.Н. Шалимов, д-р техн. наук; В.И. Корольков, д-р техн. наук; А.Д. Будник, канд. техн. наук; А.В. Руссу, магистрант Воронежский государственный технический университет

В работе рассмотрены основные аспекты развития водородной энергетики применительно к авиации. Показано, что основной причиной, сдерживающей развитие водородной энергетики является отсутствие надежных систем безопасного хранения водорода. Отдельные аспекты решения этой проблемы рассмотрены в материалах этой статьи.

Ключевые слова: водородная энергетика в авиации, алюмогидриды, электродные процессы, хранение водорода.

Многие исследователи согласны по поводу исключительных энергетических и экологических свойств водорода [1,2]. Положительный результат при создании и испытании первого лайнера ТУ-155 на криостатном водороде наглядно доказал, что дальнейшее успешное развитие авиации и космонавтики невозможно без использования водородного топлива. В последнее время в печать поступила информация о новой разработке ЦАГИ по созданию сверхзвукового лайнера на жидком водородном топливе [1]. Но жидкий водород имеет, по меньшей мере, два существенных недостатка: повышенную опасность при эксплуатации и малый удельный вес сжиженного водорода. Последнее обстоятельство заставляет вносить нежелательные конструктивные изменения в общую компоновку скоростного лайнера для увеличения емкости топливного бака при заданной дальности полета. В таблице 1 приведены сравнительные данные для различных видов топлива.

7

Таблица 1 – Сравнение видов топлива

Преимущества алюмогидридов явно ставят остальные виды топлива в категорию неконкурентных.

Но главная задача состоит в другом. А именно: алюмогидриды получены по химической технологии восстановлением алюминия соединениями лития. Получаемый по этой технологии порошковый компонент с большой вероятностью не может быть применен в качестве топлива авиационного двигателя. Фазовое состояние этого вещества не позволяет осуществить необходимую дозировку компонента при переменных нагрузках двигателя.

Предлагаемая нами электрохимическая технология формирования алюмогидридов имеет явное преимущество перед химической технологией. Отличительной особенностью этой технологии является возможность формирования металлогидридов в водном растворе электролита. Таким образом, устраняется весьма строгое требование к абсолютному отсутствию влаги при химическом способе формирования алюмогидридов. И самое главное процесс осуществляется в структуре металлов. Бемитная пленка оксида алюминия обладает избирательным действием мембраны. Она свободно пропускает молекулярный водород, но исключает возможность проникновения влаги в структуру металлов. Кроме этого в технологиях алюминиевой фольги предусмотрена операция по развитию поверхности, управляющим параметром которой является

8

плотность анодного тока. В результате этого в структуре металла формируются поры, через которые дросселируется экстрагируемый водород. Такая система создает условия для реализации редукционного эффекта, исключающего возможность неуправляемого режима выброса водорода. И наконец, к числу преимуществ этой технологии следует отнести возможность многократного использования основы фольги для аккумулирования водорода с числом циклов 1000 и более раз. Одной из особенностей структурного образования алюмогидридов является специфика построения водородных связей в молекуле (AlH3)n . Например, соседние по таблице элементы Mg и Al сильно различаются по структурам металлогидридов.

Молекула алюмогидрида имеет объемную структуру в которой водород и алюминий образуют три яруса со структурой подобной структуре «бензольного» кольца.

Рисунок 1 - Структурные формулы гидридов

Приведенная на рисунке 1 структура алюмогидрида свидетельствует о специфической склонности алюминия к образованию металлоорганических соединений, что является аномалией для металлов начала системы элементов Д. И. Менделеева. Поскольку элементы с такой структурой проявляют уникальные

9

свойства, наше внимание привлек вопрос о возможности использования алюмогидрида в качестве топлива для авиационных двигателей. Во-первых, наличие водородной донорно-акцепторной связи в молекуле алюмогидрида, показанная на рисунке 1, характеризуется меньшим значением энергии связи Me-H. Следовательно, это решение отличается меньшими энергозатратами на экстракцию водорода из структуры накопителя. Во-вторых, алюминий относится к элементам высокой степени доступности (индекс Кларка для этого металла составляет 8,3%). В-третьих, процесс утилизации отработанного металла малозатратен и экологически безопасен. Отработанный металл прессуется, затем переплавляется и далее используется в виде заготовки для получения новых изделий. Но вместе с тем возникает определенная проблема формирования в структуре металла полостей, в которых должны быть локализованы объемные молекулы алюмогидридов.

Известные методы и технологии пока не могут найти решение проблемы формирования структуры.

Экспериментальные работы по изучению процессов наводороживания методом внутреннего трения показали, что взаимодействие алюминия с водородом возможно [4] с образованием молекулярных структур различной формы. На рисунках 2 и 3 представлены зависимости внутреннего трения от температуры для алюминиевых образцов из сплава АМг2 (содержание Mg до 2%) при различных значениях времени и плотности тока поляризации. Исследование зависимости внутреннего трения от температуры для алюминиевых образцов, наводороженных катодно в растворах сульфата алюминия, показало, что режимы обработки определяют характер зависимости Q-1=f(T).

10

На кривой зависимости внутреннего трения от температуры, приведенной на рисунке 2, наблюдается не явно выраженный пик внутреннего трения при температуре – 30 °С. Этот интервал проявления пика характерен для многих металлов, в частности для хрома. В дальнейшем при повышении температуры наблюдается лишь увеличение фона внутреннего трения, что, по-видимому, связано с невысокой чувствительностью маятникового метода для процессов с ограниченной диффузией ионов водорода в глубину образца. Тем не менее, результаты эксперимента позволяют утверждать, что окклюдированный водород взаимодействует со структурой металла с образованием гидридной фазы. Увеличение плотности тока в процессе наводороживания приводит к возрастанию фона внутреннего трения (рисунок 3). При этом явные пики отсутствуют. Тем не менее, результаты эксперимента показывают, что протонированный водород взаимодействует со свободными атомами алюминия с образованием гидридных фаз. Более четкую картину можно получить, используя

11

дополнительные методики исследования этих процессов, например электронографию.

На основании эксперимента можно сделать заключение, что для повышения чувствительности метода, использующего маятниковую систему, геометрия образца должна быть изменена, а именно необходимо использовать полую тонкостенную трубку из исследуемого металла. Еще больший эффект может быть получен при использовании лепесткового датчика малой толщины металла.

В работе зарубежных исследователей показано, что на водородную емкость оказывают влияние тип кластерной структуры [5]. В то же время в работе [6] была установлена взаимосвязь вторичного наводороживания. Водородная емкость системы аккумулирования использующей металлогидридный способ хранения может быть определена по формулам (1, 2)

где VH2 - объем водорода в литрах при нормальных условиях, N∂ - число атомов с дефектами структуры,

N A - число Авогадро,

M – вес накопителя, m – вес 1 г-атом,

где CH2 - концентрация водорода в металлогидриде

CMe - число атомов металла в металлогидриде.

Теоретически в объеме 1000мл алюмогидрида может быть аккумулировано около 3 кВт*ч электрической энергии. Такие показатели объемом аккумулируемой энергии могут быть получены только для систем 3D-хранения (хранение в объеме всей структуры металла).

На рисунке 4 представлены температурные зависимости внутреннего трения Q-1=f(T) для электролитического хрома,

12

полученные на установке спроектированной и изготовленной в лаборатории материалов электронной техники ВПИ.

Рисунок 4 - Температурная зависимость внутреннего трения

электролитического хрома, полученного из стандартного электролита: 1 – хром после осаждения;

2 – хром после отжига при 200 0С 1 час; 3 - хром после отжига при 400 0С 1 час; 4 - хром после отжига при 900 0С 1 час

Анализ полученных зависимостей показывает, что с увеличением продолжительности электролиза увеличивается как амплитуда пика, то есть количество поглощенного водорода, так и его положение на температурной оси. Одновременно наблюдается его уширение, что свидетельствует об увеличении энергии связи Me-H. На основании этого можно сделать весьма важный вывод – металлогидридный метод хранения водорода может быть использован даже в отсутствии редукционного эффекта. Результат этого эксперимента начинает новый виток развития технологии металл-гидридного хранения водорода [7-8].

Предполагаемый к разработке вариант сверхзвукового лайнера на криостатном водороде безусловно является важнейшим шагом в развитии авиации. Но почему сжиженному водороду нет конкурентов? Чем можно объяснить такие предпочтения?

По мнению большинства научных работников старшего поколения основная проблема российской науки заключается в резком падении качества подготовки выпускников ВУЗов. Сокращение учебных планов подготовки дошло до абсурда. В ВУЗах

13

политехнического профиля на основополагающие дисциплины планируется всего 1-2 семестра с целью пресловутой оптимизации. Укрупняются потоки. В плачевном состоянии оказались фундаментальные науки. Главная же проблема низкого уровня научных исследований – это устаревшее и изношенное лабораторное оборудование для проведения экспериментальных работ.

При встрече с летчиком-испытателем первого лайнера на водородном двигателе ТУ-155 Архиповым В.В. был задан вопрос о первом ощущении пилотом переходе на водородную тягу. Ответ был краток, но очень хорошо отражающий существо вопроса. Была предложена аналогия сравнения усилий руки при разрезании свиного сала холодным тупым ножом с разрезание масла нагретым острым ножом. Точнее нельзя выразить, но в ответе разгадка вопроса о сверхзвуковых скоростях. А теперь о трудном пути водорода в небо. В статье «Чистое небо» первый полет самолета ТУ-155 сравнивали с запуском человека в космос. Сейчас даже представить трудно какие опасности могли подстерегать экипаж в первом полете. Но испытания прошли успешно, и путь водороду в небо был открыт. А теперь представим себе организацию полета на криостатном водороде. Стратегия такого перелета не представляется безупречной. Во-первых, аэропорт отправления и аэропорт назначения должны иметь водородогенерирующие установки. Вовторых возникают дополнительные повышенные трудности в работе специальных служб аэродромного обеспечения. В-третьих, фактор безопасности полета пока не до конца известен.

Все-таки водород очень нужен авиации. И начало может быть положено в модернизации систем ВСУ (вспомогательных силовых установок). Работа этих агрегатов определяется коротким циклом использования. Но по существу он всегда должен находиться в составе летательного аппарата. К устройствам такого типа целесообразно выполнять условия. ВСУ должны удовлетворять основным требованиям: минимальные массагабариты, высокая энергоемкость, простота обслуживания, безопасность при обслуживании, высокая степень надежности. Положении в авиастроении России в этом секторе производства нельзя считать удовлетворяющим по целому ряду вопросов.

14

В частности при больших значениях энергоемкости накопителей на алюмогидридах дают основания создать установку использующую технологию получения высоких давлений при экстракции водорода из накопителя с одновременным использованием теплотворной способности молекулярного водорода. Техническое решение такой задачи создаст предпосылки для резкого снижения массогабаритов ВСУ, повышением их надежности и энергоемкости.

Работ а выполнена в рамках реализации Государст венного задания №9.11295.2018/10.11 по т еме «Разработ ка т ехнологии высокоизносост ойких покрыт ий подшипников скольж ения со сверхмалым коэффициент ом т рения на основе соединений никельбор»

Литература

1.Гамбург Д.Ю. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. М. 1989, 672 с.

2.Шпильрайн Э.Э. и др. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1984. 264 с.

3.http://aviation21.ru/giperzvukovoj-hexafly-int-poletit-na-zhidkom- vodorode/

4.Шалимов Ю.Н. Влияние тепловых и электрических полей на электрохимические процессы при импульсном электролизе. диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук /

Воронеж, 2006, – 354 с.

5.http://kops.ub.uni-konstanz.de/volltexte/2009/8207

6.Гранкин Э.А. Влияние условий электролиза и термической обработки на внутреннее трение и коррозионную стойкость

электролитического хрома. Дис. канд. технических наук. Воронеж: ВПИ, 1973. - 116 с.

7. Гранкин Э.А., Шалимов Ю.Н., Островская Е.Н., Щетинин А.А. Исследование механизма взаимодействия водорода с металлами методом внутреннего трения//Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2003. № S1. С. 76.

8. Шалимов Ю.Н., Корольков В.И., Руссу А.В. Модели систем прямого преобразования тепловой энергии в электрическую/Современные методы прикладной математики, теории управления и компьютерных технологий: сб. тр. XI междунар. конф.

15