Аэродинамические трубы (АДТ) позволяют проводить реальные испытания с моделями летательных аппаратов и получать данные, которые помогают улучшить форму и конструкцию самолетов, космических аппаратов, мостов, зданий и архитектурных сооружений, автомобилей и судов.

Чтобы понять, зачем появилась новая аэродинамическая труба, перенесемся на век назад. Логика создания аэродинамических труб в России органично встроена в тренд развития авиации. В начале 20-го века в нашей стране появились первые заводы по производству самолетов. Первым брендом стал аэроплан «Дукс». Именно на нем военлет Петр Нестеров выполнил свою знаменитую мертвую петлю. Затем в серию вошли тяжелые многомоторные бомбардировщики «Илья Муромец», за ними — массовые самолеты общего назначения Р-1 «Искра» и так далее. Большевики тоже сделали ставку на авиацию: появились знаменитые КБ, стране стали известны имена Поликарпова, Туполева, Ильюшина, Микояна. В 1931 году появилась отечественная гражданская авиация, создан «Аэрофлот». И конечно, важнейшей вехой развития отечественной авиации 20-го века стала Вторая мировая война, которая ускорила развитие военной авиации, вывела ее на мировой уровень. Появился, например, лучший, по признанию экспертов, самолет-штурмовик Второй мировой Ил-2.

Как только самолеты в России стали производить серийно, возникла необходимость прогнозировать их движение в воздухе, улучшать аэродинамику. В 1918 году по инициативе Николая Жуковского и других энтузиастов воздухоплавания приняли решение сконструировать отечественную аэродинамическую трубу. И к концу 1925 года ее сделали из дерева на базе Московского технического училища (сегодня МГТУ им Н. Э. Баумана), подразделение по эксплуатации трубы назвали «Летучая лаборатория». Из нее впоследствии вырос Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), где в 1930-е годы построили большие металлические аэродинамические трубы Т-101 и Т-104, сыгравшие решающую роль в исследованиях советских военных самолетов.

В 1931 году появилась отечественная гражданская авиация, создан «Аэрофлот». И конечно, важнейшей вехой развития отечественной авиации 20-го века стала Вторая мировая война, которая ускорила развитие военной авиации, вывела ее на мировой уровень. Появился, например, лучший, по признанию экспертов, самолет-штурмовик Второй мировой Ил-2.

Как только самолеты в России стали производить серийно, возникла необходимость прогнозировать их движение в воздухе, улучшать аэродинамику. В 1918 году по инициативе Николая Жуковского и других энтузиастов воздухоплавания приняли решение сконструировать отечественную аэродинамическую трубу. И к концу 1925 года ее сделали из дерева на базе Московского технического училища (сегодня МГТУ им Н. Э. Баумана), подразделение по эксплуатации трубы назвали «Летучая лаборатория». Из нее впоследствии вырос Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), где в 1930-е годы построили большие металлические аэродинамические трубы Т-101 и Т-104, сыгравшие решающую роль в исследованиях советских военных самолетов. 

В мирное время ЦАГИ оставался главным центром авиапрома СССР: здесь испытывали все самолеты, вертолеты, двигатели и космические аппараты. Один из ключевых проектов — «Энергия — Буран», для которого в ЦАГИ проработали облик корабля и аэродинамику. 

Помимо авиации и космоса, ЦАГИ научился тестировать в своих аэродинамических трубах макеты мостов, зданий, кораблей, автомобилей и даже палатки для альпинистов.

Зачем понадобилась альтернативная АДТ

Никита Усачев, выпускник Акселератора Платформы НТИ, руководитель проекта Flowtech, начал карьеру в Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), а последние два года занимается проектом компактной аэродинамической трубы (АДТ) Flowtech. Труба предназначена для исследования беспилотников и позволяет моделировать разные режимы полета, получая данные по ключевым аэродинамическим характеристикам летательного аппарата. 

Компактную АДТ можно поместить в обычный класс, — она нужна школам и вузам, где изучают летательные аппараты и релевантные дисциплины, прежде всего физику. В условиях растущей необходимости развития отечественной инженерной школы в области беспилотной авиации (согласно стратегии развития отрасли БПЛА до 2030 года, России потребуется больше миллиона квалифицированных работников), на первый план выходит доступное лабораторное оборудование.

Таким образом, актуальность создания компактной аэродинамической трубы обусловлена рядом причин:

• отсутствуют специализированные лабораторные установки конструирования и тестирования беспилотных летательных аппаратов;

•  устарели традиционные способы тестирования авиамоделей;

•  испытания в старых АДТ дорого стоят;

•  не хватает кадров в сфере беспилотных авиационных систем;

• для занятий детей в авиасекциях необходимо современное оборудование; 

•  сложно согласовывать полетные испытания готовых моделей БПЛА.

По словам руководителя Flowtech, в стране наблюдается заметное снижение интереса к авиамоделированию — как кордовому (модели, которые двигаются по кругу на тросике), так и радиоуправляемому. И если пару десятков лет назад авиамодельные кружки были практически в каждой школе, то сейчас их количество значительно сократилось. Одновременно с этим возникают трудности с организацией полетов — значительная часть воздушного пространства России сегодня закрыта для использования.

Тем не менее практически в каждой школе есть базовая техническая инфраструктура: например, многие школьные компьютеры оснащены ПО «Компас-3D» и во многих средних учебных заведениях есть оборудование для 3D-печати, особенно в крупных городах. Используя этот фактор, компания Никиты Усачева выстраивает полноценный производственный цикл тестирования модели БПЛА на школьном уровне. 

Учащиеся создают уменьшенную модель в 3D-формате, продувают ее в АДТ Flowtech, вносят корректировки, масштабируют, разрезают на слои, формируют силовой набор (совокупность стержней и балок летательного аппарата, которые придают жесткость конструкции и принимают на себя нагрузки) и собирают модель, — сказал Никита Усачев.

Это упрощенная, но наглядная имитация промышленного процесса, доступная в школьной лаборатории, с помощью такой аэродинамической трубы можно преподавать основы авиамоделирования. Усачев также напомнил, что по Федеральному государственному образовательному стандарту (ФГОС) предусмотрены модули, связанные с беспилотной авиацией, а в курсе физики есть раздел, посвященный течению жидкостей и газов. Таким образом, уверен он, технология Flowtech становится универсальным инструментом для интеграции инженерных знаний в области процессов, связанных с летательными аппаратами, в школьное образование.

Актуальность проекта обусловлена и тем, что существующие аэродинамические трубы (например, в ЦАГИ) слишком большие (диаметр рабочей части составляет 8–10 м, а длина 15–20 м), шумные (от 70–80 дБА до 120–130 дБА) и дорогие (цена эксперимента может составлять до 10 млн рублей) для применения в общеобразовательных учреждениях. Как сказал Усачев, проще построить пять-шесть прототипов, запустить их и по результатам полетов дорабатывать конструкцию. «Это дешевле, чем одна продувка, например, в ЦАГИ, где она может стоить несколько миллионов рублей. В результате — множество неудачных запусков, потери и ошибки. Flowtech же позволяет существенно снизить стоимость и ускорить цикл разработки, особенно на начальном этапе», — объяснил руководитель Flowtech.

Старые АДТ занимают целые корпуса и зачастую устарели. Flowtech решает эту проблему: студентам и школьникам вряд ли разрешат тестировать беспилотники в АДТ ЦАГИ, в то время как новую компактную аэродинамическую трубу можно смонтировать буквально в каждой школе. 

Мы показываем школьникам, что можно не только управлять беспилотниками, но и проектировать их с нуля — и именно в этом заключается основная идея и социальная миссия нашего проекта, — сказал Никита Усачев.

Что касается аналогов, существующие решения, как правило, не позволяют проводить полноценные аэродинамические испытания. Основная техническая сложность заключается в том, чтобы реализовать в компактной установке трехкомпонентные тензометрические весы, измеряющие силы по трем осям, и при этом обеспечить выровненное, устойчивое течение в рабочей части. «Наше преимущество в том, что нам удалось выровнять поток, правильно направить его в зону модели и организовать съем точных данных непосредственно с модели», — сказал Никита Усачев.

Еще про плюсы Flowtech. Она отличается простым управлением: с компьютера, телефона или через сенсорную панель; испытания можно провести за один день, недорого; все необходимые данные легко доступны, а компактные размеры позволяют установить установку в любом помещении. Устройство не требует дополнительного персонала и рассчитано на срок службы не менее 10 лет. Финансовые преимущества в сравнении с ближайшими конкурентами компания отобразила на этом слайде:

Технические особенности и возможности АДТ Flowtech

Flowtech представляет собой компактную аэродинамическую установку размером 1600×800×400 мм с замкнутым контуром и закрытой рабочей частью 200×200×200 мм. Это делает ее безопасной, энергоэффективной и пригодной для установки в обычных учебных помещениях. Система оснащена трехкомпонентными тензометрическими весами, измеряющими лобовое сопротивление (ось X), подъемную силу (ось Y) и момент (ось Z). Управление воздушным потоком и позиционирование моделей осуществляется с высокой точностью, включая регулировку углов атаки и скольжения. 

Основные элементы АДТ Flowtech:

• Трехкомпонентные весы: служат для измерения силы лобового сопротивления, подъемной силы и момента тангажа.

• Сопло: служит для формирования прямолинейного, равномерного потока в рабочей части, разгона потока воздуха от минимальной скорости на входе до расчетной скорости на выходе в рабочую часть.

• Рабочая часть: пространство между соплом и диффузором. Здесь устанавливаются модели для испытания, здесь же располагаются аэродинамические весы и другие приборы.

•  Хоннейкомб (вставка в виде сот, которая выравнивает поток воздуха): предназначен для уменьшения скоса потока и разрушения крупных вихрей.

• Диффузор: располагается сразу за рабочей частью. Он представляет собой спрофилированный канал, который служит для уменьшения скорости потока. Дозвуковой диффузор — расширяющийся вниз по течению канал, в котором происходит торможение потока.

•  Двигательный модуль: представляет собой сочетание двигателя и регулятора оборотов. Именно они отвечают за быструю смену двигательного модуля.

• Модуль управления: предназначен для установления угла атаки, скольжения и скорости воздушного потока, а также для вывода данных с весов.

•  Кнопка включения: служит для запуска всей электроники.

В аэродинамической трубе Flowtech используют несколько ключевых технологических решений, которые делают ее точной, гибкой и удобной в использовании. 

Во-первых, это трехкомпонентные тензовесы электронные весы, использующие тензометрические датчики для измерения веса, которые измеряют подъемную силу, сопротивление воздуха и момент тангажа. Каждое направление нагрузки изолировано, что позволяет проводить точную калибровку и получать надежные данные при испытаниях моделей. 

Во-вторых, труба оснащена сменной силовой установкой. В зависимости от задачи можно использовать как мощные электродвигатели, работающие от сети 380 В, так и двигатели внутреннего сгорания, которые размещаются вне корпуса установки. Это дает возможность проводить самые разные типы экспериментов — от учебных до прикладных. 

Кроме того, в конструкции предусмотрены потоковый стабилизатор и ускоритель, которые выравнивают и ускоряют воздушный поток перед его попаданием в рабочую зону. Это важно для того, чтобы модель обдувалась равномерным, стабильным потоком воздуха, что повышает точность всех измерений.

Рынок и перспективы развития проекта

Аэродинамическая труба Flowtech находит применение в области авиации и беспилотной авиации для оптимизации конструкции летательных аппаратов, а также в автомобилестроении — для повышения аэродинамических характеристик, экономичности и устойчивости. В строительстве Flowtech помогает оценивать ветровую нагрузку на здания и инженерные конструкции. В энергетике — проводить исследования ветрогенераторов и солнечных панелей. В спорте — тестировать аэродинамику экипировки и снарядов. И конечно, в образовании — наглядно обучать аэродинамике, инженерному проектированию и физике.

Установку используют для проведения лабораторных работ и мастер-классов со школьниками и студентами инженерных и педагогических направлений, в профориентации и популяризации технического образования в сфере БПЛА, для вовлечения студентов в реальные научные задачи и подготовки к поступлению в профильные вузы. Среди ключевых потребителей — общеобразовательные школы, инжиниринговые центры, технопарки и кванториумы, разработчики беспилотников и вузы аэрокосмического профиля. Рынок аэродинамических труб в России компания оценивает в 3,3 млрд долларов (PAM). Объем целевого сегмента — 845 млн (TAM), из них реально доступен сегмент на 422,5 млн (SAM), а достижимый — 211,25 млн долларов (SOM).