Одним из принципиальных вызовов современной промышленности России является разработка и запуск производства перспективных авиационных двигателей гражданского назначения в текущих условиях развития отрасли. Сегодня эта задача решается на базе передовых представителей индустрии, в первую очередь — Объединенной двигателестроительной корпорацией (ОДК). Пермским национальным исследовательским политехническим университетом (ПНИПУ) в рамках федерального проекта «Передовые инженерные школы» (ПИШ) совместно с индустриальными партерами АО «ОДК-Авиадвигатель», АО «ОДК-Пермские моторы» и АО «ОДК-СТАР» создано уникальное образовательное и научно-технологическое подразделение «Высшая школа авиационного двигателестроения».
Передовая инженерная школа Пермского Политеха готовит инженеров новой формации для гражданского авиадвигателестроения, которые способны решать научно-технические задачи, связанные с повышением эффективности проектирования, производства, эксплуатации и обслуживания газотурбинных двигателей нового поколения.
Образовательный процесс выстраивается на основе формирования кросс-функциональных команд, состоящих из инженеров, ученых, студентов и старшеклассников. Команды работают над научно-исследовательскими и технологическими проектами в областях интересов индустриальных партнеров ПИШ: оптимизации процессов изготовления, ремонта изделий, цифрового проектирования элементов и систем управления газотурбинного двигателя, создания новых функциональных материалов, в том числе полимерных.
Для образовательной, проектной деятельности и для проведения научно-исследовательских работ созданы и активно используются специальные образовательные пространства Научно-образовательной фабрики аддитивных технологий и Проектной студии Политехнической школы ПНИПУ, а для создания и опытного внедрения новых технологических подходов, в том числе с применением методов математического моделирования, в ПИШ «Высшая школа авиационного двигателестроения» создано Молодежное проектно-технологическое бюро (МПТБ).
Как отмечает ректор Пермского Политеха, профессор Анатолий Ташкинов, к созданию МПТБ в формате студенческого конструкторского бюро подтолкнула необходимость привлечения молодых специалистов к решению текущих задач промышленности группы предприятий АО «ОДК» (АО «ОДК-Авиадвигатель», АО «ОДК-Стар», АО «ОДК-Пермские моторы»). Студенты получают новые знания, опыт и сразу применяют их на практике. Работа над востребованными проектами в индустрии помогает ребятам становиться профессионалами в конкретной области и развивать навыки работы в команде, управления проектами и принятия решений.
Бюро формирует единое опытно-конструкторское и научно-технологическое пространство для решения прикладных и фундаментальных задач в области газотурбинного двигателестроения с учетом критических технологий развития Объединенной двигателестроительной корпорации.
Особенность Молодежного проектно-технологического бюро ПИШ — отработка полученных научных и конструкторских результатов на производственных площадках индустриального партнера. Результаты этих исследований студенты включают в свои дипломные работы. На данный момент в Бюро насчитывается более 50 сотрудников. Управление МПТБ осуществляет научно-технический совет ПИШ, в состав которого включены представители индустриальных партнеров. Это обеспечивает оперативный обмен полученными результатами и опережающее внедрение новых научных подходов в образовательный и производственный процесс.
В МПТБ созданы профильные отделы, работающие в приоритетных областях исследований для ОДК: передовые производственные технологии и функциональные материалы, искусственный интеллект и математическое моделирование, проектирование газотурбинных и электрических установок.
Например, одним из проектов Бюро является создание системы обнаружения попадания постороннего предмета в газовоздушный тракт перспективного двигателя. Посторонние предметы, влетающие в авиадвигатель, могут представлять серьезную угрозу для его безопасности и работоспособности. В результате такого попадания может произойти повреждение лопастей компрессора и сопла выброса, турбин, форсунок и образование обломков внутри двигателя. Чтобы предотвратить такое попадание, применяются различные меры — использование воздушных фильтров, сепараторов или систем впуска с активной защитой. Проводятся регулярные осмотры и обслуживание авиадвигателей для обнаружения и устранения любых посторонних предметов или повреждений. Задача решается при помощи нейронных сетей и цифровой камеры. Полученная система искусственного интеллекта открывает новые возможности в авиадвигателестроении, помогая предотвратить повреждения, поломки и повысить безопасность авиационных двигателей.
Другой проект, реализуемый в МПТБ, касается разработки цифрового двойника малой газотурбинной энергоустановки. Это создание виртуальной модели или копии реального устройства с использованием современных технологий и методов моделирования. Цифровой двойник позволит имитировать рабочие процессы, динамику, энергопотоки и другие характеристики системы, благодаря чему можно будет в режиме реального времени контролировать работу установки и обнаруживать возможные проблемы или сбои. Операторы смогут быстро реагировать и принимать меры по предотвращению аварийных ситуаций. Цифровой двойник дает возможность проводить виртуальные эксперименты для оптимизации системы. Моделируя различные параметры и условия, можно найти эффективные решения, увеличить энергоэффективность и улучшить характеристики установки. Чтобы повысить квалификацию персонала и снизить риски при работе с физическим устройством, на цифровом двойнике проводится обучение и тренировка операторов.
Для анализа сложных процессов ученые активно развивают перспективные методы математического моделирования; такому подходу посвящен проект по определению оптимальной для работы градиентной структуры турбины газотурбинного двигателя. Математическое моделирование на уровне конструкции, которое учитывает влияние многих факторов на работу системы, является методологией, которая позволяет описывать и анализировать сложные системы. Система рассматривается как единое целое с учетом взаимодействий и зависимостей между ее компонентами и внешними факторами. В этом случае используется агрегированный подход, позволяющий учесть наиболее важные факторы и их взаимодействие, а не детальное моделирование каждого элемента. Градиент структуры описывает изменение свойств материала в турбине по ее объему, таких как механическая прочность, тепловая проводимость или устойчивость к износу. Выбор оптимальной структуры позволяет достичь лучших рабочих характеристик и повысить производительность, энергоэффективность и надежность двигателя.
Разработка технологии изготовления формообразующей оснастки для полимерных композиционных материалов методом 3D печати — это инновационный подход к созданию заготовок пресс-форм для производства деталей. Проект основан на принципе послойного нанесения материала и позволяет создавать сложные геометрии и структуры с высокой точностью и свободой проектирования. Это позволяет достичь уникальных дизайнерских решений и оптимизировать производственные процессы, в том числе быть быстрее и экономически эффективнее по сравнению с традиционными методами. Для качественного изготовления сложных деталей важна высокая точность и повторяемость в производстве формообразующей оснастки, 3D печать позволяет этого достичь. Данная технология также позволяет проводить оптимизацию формообразующей оснастки для улучшения производственных процессов и характеристик деталей, таких как прочность и вес.
Отдельным направлением работы ПИШ Пермского Политеха является проект по разработке технологии проектирования электродвигателей для создания более электрических турбовентиляторных двигателей, гибридных и полностью электрических авиационных силовых агрегатов. Эти технологии ориентированы на создание более энергоэффективных, компактных и надежных электрических машин для использования в аэрокосмической отрасли. Такие системы могут помочь уменьшить выбросы, увеличить энергоэффективность экологичность в авиационной отрасли.
Сочетание научно-исследовательской деятельности и образовательного процесса в рамках Бюро обеспечивает подготовку высококвалифицированных специалистов путем создания новых технологий, а не простого повторения существующих. Таким образом, впервые в системе высшего образования нашей страны реализуется образовательный эксперимент «Технология, как диплом».
— Решение вступить в Бюро было обусловлено зачислением в магистратуру ПИШ, поскольку для обучения по данной программе необходимо выполнение командного проекта. МПТБ дает возможность качественно это реализовать студентам, не заключившим договор с промышленным предприятием. Бюро — это площадка для реализации идей студентов, направленных на совершенствование имеющихся технологий и разработку новых для промышленности, — отмечает студент группы ПИШ Никита Шемякин.
В целом, Молодежное проектно-технологическое бюро ПИШ Пермского Политеха предоставляет студентам возможность развивать свои технические и креативные навыки, работать над настоящими проектами индустриальных партнеров и получать ценный опыт. Это позволяет сотрудникам Бюро применять свои навыки в реальной жизни и вносить вклад в научно-технический прогресс общества. Сегодня МПТБ предлагает множество возможностей для реализации себя как высококвалифицированного специалиста не только для студентов ПИШ Пермского Политеха, но и для всей молодежи Перми и Пермского края.
Авторы: Павел Волегов, проректор по приоритетным проектам ПНИПУ, кандидат физико-математических наук; Тимур Абляз, директор ПИШ ВШАД, кандидат технических наук; Анна Каменских, заместитель директора ПИШ ВШАД, кандидат технических наук, доцент; Карим Муратов, заместитель директора ПИШ ВШАД, доктор технических наук; Глеб Шипунов, кандидат технических наук, директор МПТБ ПИШ ВШАД; Анастасия Чернопазова, ведущий специалист по деловым коммуникациям ПИШ ВШАД.