Проекты

Разработка действующей модели турбореактивного двигателя с осевым компрессором

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Машиностроение и транспорт. Робототехника. Информационные технологии. Программирование. Кибернетика. Электроника и приборостроение» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Моделирование
Авторы работы: ГБОУ Школа № 323
Предметы: Физика, Технология
Классы: 11 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 04−05 апреля 2019 года

Актуальность

При оперативном купировании развития локальных природных и техногенных катастроф (лесных пожаров, атипичных разливов рек, выбросов облаков токсичных/ядовитых газов при авариях на производстве и др.) одним из важнейших факторов является оперативность получения информации о характере развития ситуации.

Для решения соответствующих задач в основном применяется спутниковый мониторинг и/или локальные наблюдения, осуществляемые с помощью винтокрылых дронов. Основным недостатком спутникового мониторинга является его низкая оперативность. Использование квадрокоптеров и их аналогов ограничено малым радиусом действия, малой скоростью и низкой надежностью этих аппаратов при экстремальных условиях. Глобальной целью серии связанных инженерных проектов, посвященных обсуждаемой проблематике, является разработка малогабаритной ракетной платформы, применение которой позволило бы значительно улучшить качество и надежность целеполагания для существующих систем предотвращения распространения некоторых природных и техногенных катастроф. Данный проект посвящён созданию действующей модели турбореактивного двигателя для этой платформы.

Цель работы: разработка действующей модели турбореактивного двигателя, предназначенного для применения в системах дистанционного оперативного мониторинга обстановки в зонах локальных природных и техногенных катастроф (лесных пожаров, разливов рек, выбросов токсичных веществ и др.).

Содержание работы

Существующие решения в предметной области в основном представлены системами спутникового дистанционного зондирования поверхности Земли и управляемыми винтокрылыми дронами. Спутниковый мониторинг развития техногенной катастрофы становится эффективным, когда масштабы её уже достаточно велики для того, чтобы частоты сеансов связи со спутником хватало для отслеживания динамики событий. Такой мониторинг (и аналогичные техники дистанционного зондирования поверхности Земли) необходимо применять для оценки рисков и стратегического планирования мер по предотвращению природных и техногенных катастроф. При попытке остановить негативный сценарий развития событий на начальном этапе спутниковые системы штатного получения информации оказываются малоэффективными.
В настоящее время широко применяются системы мониторинга на основе управляемых дронов-поликоптеров (моно-, би-, три-, квадро-, окто- и т.д.). Основным недостатком таких систем является необходимость расположения центра управления на относительно малом расстоянии от исследуемой области, что подвергает риску операторов мониторинговых систем. К тому же полёт на основе подъёмной силы вращающегося винта сопряжен со значительным риском поломки оборудования в условиях сильно загрязнённой пылью, продуктами горения или химически активными веществами атмосферы.
Преимущества ракетной платформы, для которой в рамках проекта разрабатывался двигатель, объясняются:

-  существенно большими достижимыми скоростями перемещения мониторинговой системы, чем в случае с винтокрылыми аналогами;
-  большим расстоянием между зоной мониторинга и зоной стартового базирования;
-  возможностью оперативной доставки и при необходимости распыления тех или иных реагентов в области повышенной концентрации вредных веществ.

Ядром проекта является создание действующей модели турбореактивного двигателя для обсуждаемого класса мониторинговых систем. Известно несколько типов реактивных двигателей (в частности, двигателей для малых ракетных систем). При этом в данном проекте оценивалась возможность применения принципов устройства турбореактивных двигателей, аналогичных используемым в современной истребительной авиации, для малогабаритных управляемых ракет (в настоящее время для существующих ракет этого класса применяются твёрдотопливные реактивные двигатели и изредка турбореактивные двигатели с центробежным компрессором). Также был применён ряд важных технических решений (применение импеллера, изменение формы камеры сгорания, подбор топливной смеси и др.), обеспечивающих улучшение характеристик разрабатываемого двигателя относительно известных и существующих на настоящий момент времени двигателей малых ракет. На завершающей стадии реализации инженерного проекта были проведены исследования функциональных и эксплуатационных характеристик действующей модели проектируемого двигателя в лабораторных и в полевых условиях.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Сервоприводы, контроллер, импеллер, высокопрочные подшипники, баллоны с пропаном, бутаном и изобутаном, набор инструментов для обработки металлов, измерительное оборудование, электрическая шлифмашинка (болгарка), сварочный инвертор, дремель.

Выводы

Конечным продуктом серии связанных проектов, в которую входит данный проект, являлось создание универсальной малогабаритной ракетной платформы для мониторинга и поддержки процессов устранения природных и техногенных катастроф. Основным результатом данного проекта является создание действующей модели турбореактивного двигателя (ТРД) для такой платформы. В результате проведенных работ двигатель запустился. Для создания универсального двигателя, приспособленного к различным метеоусловиям, необходимы дальнейшие испытания и доработки.      

Основными техническими характеристиками двигателя на момент защиты проекта являются:

1) тяга на холостых оборотах: примерно 900 г (использовался динамометр, рассчитанный на 50 кг);

2) расход газовой смеси для старта двигателя при выводе двигателя на холостые обороты составил примерно 80 г за 2,5 мин;

3) температура выходящих газов была более 800 °C (более точно установить не удалось, т.к. температура газа внутри двигателя увеличивается при удалении от области непосредственного сгорания топлива и может оцениваться по цветам побежалости только примерно).

Перспективы использования результатов работы

Наличие оперативной информации при борьбе с распространением лесных пожаров позволит осуществлять таргетированное целеполагание для существующих систем пожаротушения, что позволит значительно увеличить эффективность их применения.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Работа выполнена под руководством заведующего кафедрой информатики и информационных технологий Московского политехнического университета д. физ.-мат. н. проф. Рудяка Ю.В.

Награды/достижения

  1. Московский городской конкурс научно-исследовательских и проектных работ обучающихся, районный этап (победитель), городской этап (участник).
  2. Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» (победитель).

Конференция научно-исследовательских и проектных работ школьников «Шаг в исследование» – диплом 1степени.