12 апреля: космос как предчувствие – и как расчет

С тех пор как Международная федерация астронавтики провозгласила 4 октября Днем начала космической эры человечества, а в языки разных народов мира вошло слово sputnik, человечество окончательно осознало, что притяжение космоса неизбежно повлечет людей все выше и выше – и это стремление перестает быть несбыточной мечтой, но буквально с каждым днем будет становиться все более реальным и выполнимым. Все жили предчувствием новых открытий и новых свершений. Развитость науки и техники измерялась близостью звезд.

12 апреля 1961 года – день, ставший триумфом большой страны, ознаменовал начало нового этапа в истории космонавтики и окончательно закрепил за СССР статус космической державы. Российская Федерация по сей день остается государством, осуществившим набольшее число космических запусков в мире.

По степени наукоемкости, мультидисциплинарности авиакосмическая отрасль является одной из самых сложных высокотехнологичных отраслей, цена ошибки в которой слишком высока. Именно поэтому авиакосмические проекты доверялись только самым опытным научным коллективам, только сильнейшим специалистам, обладающим уникальными компетенциями и интеллектуальными ноу-хау.

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ) и Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ и их стратегические партнеры – группа компаний CompMechLab^® имеют в своем багаже десятки успешных проектов, выполненных в области авиа- и ракетостроения.

Одним из первых подобных проектов стал проект 2005 года по конечно-элементным расчетам корпуса ракеты и многоразовой возвращаемой сферической капсулы с парашютным спуском. В проведённой работе моделировался удар сферической капсулы, подкреплённой меридиональными и поперечными ребрами жёсткости, о грунт.

На основе проведённых исследований были разработаны практические рекомендации по выбору геометрических характеристик рёбер жёсткости и дополнительного жёсткого кольца, обеспечивающего возможность смены нижней части капсулы после удара о грунт. Также исследовалось напряжённо-деформированное состояние корпуса космического шаттла WildFire MK IV при максимальных нагрузках, возникающих во время полёта.

Некоторые результаты конечно-элементных расчётов корпуса ракеты и многоразовой возвращаемой сферической капсулы с парашютным спуском, выполненных сотрудниками CompMechLab, представлены на специальной странице DaVinci-проекта.

Сложным мультидисциплинарным проектом стало Численное моделирование и многовариантное исследование аэродинамических характеристик отделяемого головного блока при сверхзвуковом обтекании (2011 год), выполненное сотрудниками ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (головная компания CompMechLab^®) по заказу Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королёва. В результате выполнения проекта построена расчетная модель, позволяющая проводить расчеты обтекания отделяемого головного блока при до- и сверхзвуковых скоростях и определять его аэродинамические характеристики. Получены поля скоростей, давлений при различных параметрах натекания потока, рассчитаны аэродинамические характеристики.

Особенно значимыми не только для современной космонавтики, но и для развития ключевых трендов в области передовых производственных технологий стали два проекта: Композитная сетчатая панель солнечных батарей для космических аппаратов и Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ.

Облегченная опорная конструкция, разработанная в рамках концепции Цифровой фабрики ИППТ СПбПУ, предназначена для замены трехслойных панелей с сотовым заполнителем (материал: композит – карбоновое волокно / эпоксидная матрица; технология: Цифровое аддитивное производство, роботизированная укладка непрерывных волокон на каркас; цикл производства: 15 мин; стоимость при серийном производстве: от 6000 руб. / кв. м). Изделие произведено на предприятии партнера ИППТ – компании Baltico (Германия). Разработка неоднократно демонстрировалась на промышленных выставках, в том числе на форуме Иннопром-2016, где, в частности, привлекла внимание первого заместителя министра промышленности и торговли России Г.С. Никитина и других представителей власти, а также руководителей ряда ведущих промышленных предприятий.

Основными преимуществами разработки стали: совместимость с металлическими конструкциями; низкая материалоемкость и стоимость конструкций; безотходное производство; возможность изготовления сложных геометрических форм, модульность; снижение веса несущих конструкций в 20-30 раз; полностью автоматизированная технология; точность изготовления 0,1-1,0 мм; применение отечественных материалов.

Ценность же проекта перепроектирования кронштейна, реализованного в рамках Соглашения о предоставлении субсидии между Министерством образования и науки РФ и СПбПУ, легко иллюстрируется особым значением минимизации массы в конструкциях ракетно-космической техники: стоимость запуска «Протон-М» составляет ~ $ 70 млн, при этом стоимость вывода 1 кг груза на орбиту ~ $ 2 800 для низкой опорной орбиты (НОО) и ~ $ 13 000 для геопереходной орбиты (ГПО). Оптимизированный кронштейн позволяет облегчить конструкцию на 403 г, что уже само по себе имеет вполне реальный экономический эффект. Однако с помощью передовых технологий моделирования и оптимизации под аддитивное производство можно создавать куда более сложные, оптимальные с точки зрения жесткости и минимума массы конструкции, содержащие решетчатые структуры, и подготавливать их для последующей 3D-печати. Задача сегодняшнего дня – самое широкое и системное применение этих технологий, а также подготовка соответствующих специалистов. Задача, которую уже активно решает Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab) СПбПУ.

Среди других проектов в области авиа- и ракетостроения, авиадвигателестроения и других смежных отраслей можно бозначить такие проекты CompMechLab^®, как:

• Разработка Виртуального испытательного полигона для проектирования и создания класса высотных воздушных винтов беспилотных воздушных судов;
• Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе методов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга и аддитивных технологий производства;
• Виртуальный аэродинамический полигон для тестирования беспилотных летательных аппаратов;
• Разработка математических моделей и численное исследование течения газа с учетом горения в форсажной камере сгорания;
• Проведение исследований и разработка способов и технологий повышения эффективности распыла жидкого топлива и горения топливно-воздушных смесей в авиационных двигателях и многие другие.

Инженеры CompMechLab^® активно участвуют в актуальных тематических научных, отраслевых, дискуссионных мероприятиях, проводимых как в России, так и за рубежом. Инжиниринговый центр СПбПУ не раз встречал самых выдающихся в данных областях специалистов.

В первую очередь, нельзя не упомянуть о посещении ИЦ 4 августа 2017 года С.К. Крикалева и руководителей компаний «Аэросила», «Альфа» и «ЦЦТ». Знаменитый космонавт (рекордсмен Земли по суммарному времени пребывания в космосе), Герой Советского Союза, Герой Российской Федерации, первый заместитель директора ЦНИИ машиностроения по пилотируемым программам, действительный член (академик) Российской академии космонавтики имени К.Э. Циолковского, чемпион мира по пилотажу на планёрах Сергей Константинович Крикалев является сегодня также куратором проекта Л-42 – перспективного легкого многоцелевого самолета-амфибии.

НПП «Аэросила» (с 1939 г.) – ведущая российская фирма по разработке и производству самолетных воздушных винтов, винтовентиляторов, вспомогательных газотурбинных двигателей (ВГТД), а также авиационных агрегатов различного назначения. ИЦ CompMechLab^® СПбПУ был избран в качестве потенциального участника проектного консорциума и носителя уникальных компетенций для подготовки проекта технического задания на разработку единой модульной платформы для малой авиации и многоцелевого самолета.

Слева направо: учредитель и главный конструктор ООО «Виртуальное конструкторское бюро «Альфа» А.Л. Феоктистов, директор по развитию АО «Центр цифровых технологий» К.А. Колганов, генеральный директор ООО «Аэросила» А.Н. Баланев, Герой Советского Союза, Герой Российской Федерации, первый заместитель директора ЦНИИ машиностроения по пилотируемым программам, действительный член (академик) Российской академии космонавтики имени К.Э. Циолковского, чемпион мира по пилотажу на планёрах – куратор проекта Л-42 С.К. Крикалев, проректор по перспективным проектам СПбПУ, научный руководитель Института передовых производственных технологий (ИППТ) СПбПУ, лидер-соруководитель рабочей группы «Технет» НТИ, руководитель Проектного офиса «Фабрика будущего», руководитель ИЦ «ЦКИ» СПбПУ А.И. Боровков, первый заместитель директора ИЦ «ЦКИ» СПбПУ О.И. Клявин, ведущий инженер ИЦ «ЦКИ» СПбПУ А.Ю. Тамм, директор проектного офиса ИЦ «ЦКИ» СПбПУ М.В. Алешин.

В том же 2017 году одним из значимых событий в области кросс-рыночных высокотехнологичных производств стала проведенная Altair Engineering и CompMechLab^® Вторая технологическая конференция ATCx Russia. В числе участников конференции – специалисты ведущих отраслевых компаний и корпораций: РКК «Энергия», ПАО «Корпорация «Иркут», НПО «Техномаш» и других.

Другим важным для космической отрасли мероприятием стал проходивший 18–23 июля 2017 года Международный авиационно-космический салон МАКС-2017, на котором проректор по перспективным проектам СПбПУ, лидер-соруководитель РГ «Технет» НТИ, руководитель ИЦ CompMechLab® СПбПУ, руководитель Центра НТИ «Новые производственные технологии» на базе ИППТ СПбПУ А.И. Боровков принял участие в секции «Технологии новой индустрии», проходившей в рамках конференции «Космические корпорации будущего в индустрии 4.0» и организованной АО «Российские космические системы».

Интегрированная структура «Российских космических систем» объединяет ведущие предприятия космического приборостроения России: Научно-исследовательский институт точных приборов (АО «НИИ ТП»), Научно-производственное объединение измерительной техники (АО «НПО ИТ»), Научно-исследовательский институт физических измерений (АО «НИИФИ»), Особое конструкторское бюро МЭИ (АО «ОКБ МЭИ») и Научно-производственную организацию «Орион» (АО «НПО «Орион»).

В фокусе внимания участников секции было внедрение технологий «Индустрии 4.0» на предприятиях ракетно-космической промышленности и обсуждение сервисной модели производства «Цифровое предприятие» с возможностью масштабирования на всю ракетно-космическую отрасль в русле концепции Фабрики Будущего, имеющей системообразующее значение для дорожной карты «Технет» НТИ.

Совсем недавно, 6 апреля 2018 года, в рамках визита в Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Инжиниринговый центр СПбПУ посетила делегация Германского центра авиации и космонавтики (Кельн).

В состав представительной делегации вошли:

• Хансйорг Диттус, член правления Германского центра авиации и космонавтики;
• Губерт Рейле, руководитель дирекции программы «Космические исследования и технологии»;
• Кристофер Ленерт, заместитель руководителя по кадрам «Космические исследования и технологии»;
• Ольга Тривайло, специалист по программной стратегии «Космические исследования и технологии»;
• Харальд Хофманн, сотрудник дирекции программы «Космические исследования и технологии»;
• Райнер Шаренберг, сотрудник дирекции программы «Космические исследования и технологии»;
• Алин Альбу-Шеффер, директор Института робототехники и мехатроники;
• Бернхард Вебер, старший научный сотрудник Департамента когнитивной робототехники Института робототехники и мехатроники;
• Герхард Грюнвальд, старший научный сотрудник Департамента автономии и телеуправления Института робототехники и мехатроники;
• Франк Янсен, старший научный сотрудник Института космических систем;
• Кэти Унгер-Шайете, сотрудник Департамента международных отношений Института космических систем;
• Елена Леонова, консультант.

Целью визита стало знакомство немецких коллег с деятельностью Центра НТИ «Новые производственные технологии» на базе ИППТ СПбПУ и достижениями сотрудников ИЦ CompMechLab СПбПУ в сфере реализации проектов высокотехнологичных отраслей – и гости дали самую высокую оценку компетенциям российского «инженерного спецназа»!

Наконец, сегодня, 12 апреля 2018 года, директор проектного офиса ИЦ CompMechLab^® СПбПУ Михаил Алешин выступил с докладом в Центре космонавтики и авиации ВДНХ «Новые подходы к проектированию ракетно-космической техники» на научно-практической конференции «Перспективы развития российской космонавтики», приуроченной ко Дню космонавтики. Организатором мероприятия выступила Госкорпорация «РОСКОСМОС».

Михаил Алешин представил несколько мультидисциплинарных исследований и разработок, выполненных сотрудниками Инжинирингового центра для высокотехнологичных отечественных компаний ракетно-космической отрасли, а также рассказал:

• о технологической трансформации космической отрасли на примере высокотехнологичных компаний – представителей отрасли;
• о передовых инструментах цифрового проектирования и моделирования – «умных» цифровых двойниках (Digital Twin, Smart Digital Twin), «умной» цифровой тени (Smart Digital Shadow) – и возможностях их применения в ракетно-космической отрасли;
• о разработанной Интегрированной системе компьютерного проектирования и инжиниринга (ИСКПИ) для реализации профильных проектов.

В завершение выступления Михаил пригласил участников конференции к сотрудничеству для создания совместных инновационных проектов и решения проблем-вызовов, стоящих перед российской ракетно-космической отраслью на этапе цифровой трансформации.

IV промышленная революция набирает обороты. Время летит стремительно – уже 61 год прошел с того момента, как человечество услышало позывные первого искусственного спутника Земли; уже 57 лет прошло со дня великого подвига Ю.А. Гагарина…

Технологии ушли далеко вперед, звезды стали ближе. Мы поздравляем всех коллег с профессиональным праздником и желаем побольше сил на непростом пути покорения космоса.

Пусть каждый день приносит открытия и победы, задел велик.

Но нам предстоит еще очень много работы, а значит – будем работать!

Поехали!