Кафедра
ЭТ и АЭО
Научная работа
История научной школы "Авиационная электротехника и электроэнергетика"
Довоенный период
Научную деятельность кафедра ЭТ и АЭО осуществляет в рамках научной школы "Авиационная электротехника и электроэнергетика", основателем которой является выдающийся учёный в области авиационной электротехники, ученик Н.Е. Жуковского академик В.С. Кулебакин.
Работы В.С. Кулебакина по электрификации самолетов положили начало развитию современной авиационной электроэнергетики. Недаром академик А.Ю. Ишлинский в одной из своих статей образно назвал его «отцом авиационной электроэнергетики».
Научная школа, созданная В.С. Кулебакиным, сформировалась в основном на базе кафедры электрооборудования ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, руководителем которой он был с 1923 по 1960 год.
С первых дней образования кафедры ее ученые оказывали заметное влияние на развитие бортовой электроэнергетики, проводя серьезные научные исследования и участвуя в решении важных практических задач. В период становления кафедры особое внимание специалистов было обращено к системам электрического зажигания, светотехническим устройствам для ночных полетов, радиотехническому оборудованию, источникам электрической энергии.
По существу все эти научные направления нашли отражение в исследованиях кафедры.
Значительный вклад ученые кафедры внесли в разработку конкретных типов авиационных электрических машин. В 1934 году на самолете «Максим Горький» впервые в мировой практике была установлена комбинированная система электроснабжения с подсистемами постоянного и переменного тока. При ее создании под руководством А.Н. Ларионова и сотрудника академии С.В. Крауза были разработаны и построены оригинальные генераторы двойного тока МГ-25 и МГ-10, привод которых осуществлялся от автономных бензиновых двигателей.
В 1937 году были разработаны новые генераторы постоянного тока серии ГС, рассчитанные для работы в высотных условиях. Для генераторов этой серии была создана новая регулирующая аппаратура с вибрационными регуляторами напряжения, теория которых была предложена В.С. Кулебакиным. В области автоматического регулирования напряжения самолетных генераторов следует также отметить исследования сотрудников кафедры А.М. Сенкевича, К.С. Бобова, Б.А. Ставровского и др.
В.С. Кулебакиным совместно с А.Н. Ларионовым впервые в СССР были проведены исследования и разработана теория синхронного вращения асинхронных двигателей. Впоследствии ими была предложена оригинальная конструкция асинхронного двигателя с промежуточным ротором.
Несмотря на широкое внедрение достижений электроэнергетики в наземных установках использование электротехнических устройств на самолетах вплоть до конца тридцатых годов было весьма ограничено. Основными видами электрооборудования на ЛА оставались генераторы, аккумуляторные батареи, система зажигания, освещение, обогревательные устройства, контрольно-измерительная аппаратура.
По мере развития авиации, в связи с увеличением массы самолетов и усложнением бортового оборудования, возникла потребность в применении электрической энергии для приведения в движение целого ряда вспомогательных устройств, агрегатов и исполнительных механизмов, устанавливаемых на самолете.
Впервые электропривод на самолете начал применяться для запуска авиационных двигателей. С конца двадцатых годов началось использование электропривода для вращения бензопомп, масляных насосов, вентиляторов. Несколько позже появились электромеханические приводы для выпуска и уборки шасси самолетов.
На начальном этапе применения электрического привода на самолете по существу теория авиационного электропривода отсутствовала. Опираясь на фундаментальные работы отечественных ученых Д.А. Ларичева по электромеханике, К.И. Шенфера по теории электрических машин, В.С. Кулебакина по динамике электропривода и автоматическому регулированию и др., авиационные электроэнергетики достаточно быстро ликвидировали этот пробел. Здесь, прежде всего, необходимо отметить выполненные в академии исследования по теории электроинерционных стартеров (В.С. Кулебакин, В.Д. Нагорский и др.), работы по следящему электроприводу (В.С. Кулебакин, К.С. Бобов, Д.А. Попов и др.) и электромашинным усилителям (В.С. Кулебакин, Д.А. Попов, Б.А. Ставровский и др.).
Для мощных авиационных двигателей существенную роль играет процесс их запуска. Главными при этом являются вопросы энергетических соотношений, так как система запуска силовой установки должна быть автономной, а запасы энергии на борту ЛА ограничены. В 1939 году В.С. Кулебакиным в работе «К теории электроинерционного стартера» были выведены основные энергетические соотношения, характеризующие процесс запуска авиационного двигателя, и найдены условия, определяющие оптимальные с точки зрения коэффициента полезного действия режимы работы стартера. В дальнейшем, благодаря исследованиям В.Д. Нагорского, в значительной мере была решена проблема электрического запуска мощных авиадвигателей, устанавливаемых в то время на отечественных самолетах. В частности, В.Д. Нагорскому принадлежит идея создания редуктора с изменяющимся передаточным отношением, нашедшего широкое применение в отечественных стартер-генераторах типа ГСР и СТГ.
Существенное значение для самолетного электропривода имеют исследования В.С. Кулебакина электромашинных усилителей и специальных электрических машин с продольно-поперечной системой возбуждения в двигательном режиме. Впоследствии важные результаты в этой области были получены Б.А. Ставровским.
Переломным этапом в развитии электрификации самолетов явилось создание в 1939 году пикирующего бомбардировщика Пе-2, на котором впервые в истории авиации были широко представлены электромеханизмы для дистанционного управления различными агрегатами и системами самолета. Системы электроснабжения, электрические двигатели и механизмы самолета разрабатывались под руководством известных конструкторов А.А. Енгибаряна и К.С. Рогова, длительное время работавшего на кафедре электроспецоборудования академии. Переход на электрическое силовое управление ответственными органами самолета полностью себя оправдал во время Великой Отечественной войны. Отметим, что за рубежом подобное электрооборудование на самолетах стало внедряться лишь спустя три года после создания самолета Пе-2.
Заметным вкладом в теорию электрических машин явились фундаментальные труды В.С. Кулебакина, написанные в предвоенные годы, по испытаниям электрических машин и трансформаторов, методам их расчета и анализа, а также кинетике возбуждения синхронных машин.
Результаты его исследований в области испытаний изложены в ряде монографий и статей и обобщены в фундаментальном труде «Испытание электрических машин и трансформаторов», удостоенном первой премии Народного комиссариата просвещения. В этой монографии представлены все новейшие на тот период достижения в этой области, а также разработанные автором оригинальные методы испытаний и, в частности, методы определения ударных токов короткого замыкания, измерения фазового смещения напряжений, исследования щеток, измерения внутреннего угла сдвига фаз в синхронных машинах и др. Данная книга являлась в свое время ценнейшим пособием для широкого круга электротехников.
Разработанные В.С. Кулебакиным методы расчета и анализа рабочих процессов синхронных машин, трансформаторов и машин постоянного тока до настоящего времени имеют важное практическое значение. Предложенные им способы определения основных размеров синхронных машин и трансформаторов с учетом магнитных нагрузок, реактивных сопротивлений рассеяния, ударных и установившихся токов короткого замыкания значительно улучшили методику проектирования электрических машин и способствовали созданию ряда более совершенных образцов электрических машин и трансформаторов.
В.С. Кулебакиным в тридцатые годы проведены важные теоретические и экспериментальные исследования переходных процессов в электрических машинах. Эти работы были связаны с решением проблем автоматического регулирования и устойчивости параллельно работающих машин и энергосистем. Опубликованная им монография по кинетике возбуждения синхронных машин явилась одной из первых в данном научном направлении.
В 1935 году В.С. Кулебакиным был поставлен очень важный для электроэнергетики страны вопрос о повышении промышленной частоты переменного тока до 100 Гц. Решение данной проблемы требовало серьезных и всесторонних исследований. В связи с этим была создана специальная комиссия при Совете Труда и Обороны, в которую вошли ведущие отечественные ученые и специалисты в области энергетики и других сферах деятельности. Хотя в масштабе всей страны повышение частоты оказалось несвоевременным, однако результаты, полученные под руководством В.С. Кулебакина, явились весьма важными для создания в последующие годы ряда автономных систем переменного тока на повышенной частоте, таких, как тепловозные электропередачи, системы электроснабжения морских судов и ЛА, электроинструменты.
Значительный вклад внес коллектив кафедры электрорадиотехники (первоначальное название кафедры электрооборудования), возглавляемой В.С. Кулебакиным, в создание и развитие в академии электротехнической специальности. По заданию командования ВВС, начиная еще с 1928 года, кафедра приступила к подготовке специалистов по электроспецоборудованию из числа слушателей последних курсов инженерного факультета. К обучению по инициативе В.С. Кулебакина были привлечены крупнейшие отечественные ученые в области электроэнергетики: академик К.И. Шенфер, члены-корреспонденты АН СССР К.А. Круг, А.Н. Ларионов, Я.Н. Шпильрейн, профессора А.С. Займовский, И.Л. Каганов, С.И. Курбатов, Е.Ф. Комарков, М.И. Левин, Н.А. Никитин и др. Подготовка осуществлялась как в самой академии, так и вне ее, в частности в Московском энергетическом институте и на электрозаводе. На завершающем этапе обучения слушатели выполняли дипломные проекты со специальной электротехнической частью. Всего таким путем до начала Великой Отечественной войны было подготовлено 28 инженеров. Большинство из них направлялись в авиационные части и в другие организации ВВС. Несколько человек было оставлено в академии для работы в учебной лаборатории кафедры электрорадиотехники и дальнейшего обучения в адъюнктуре.
Большое значение имел цикл работ, выполненных в академии В.С. Кулебакиным и его учениками по тепловому расчету электрических свечей зажигания, - первое исследование в мировой практике, посвященное этому сложному вопросу. Полученные результаты в этом направлении способствовали устранению коренных недостатков авиационных свечей, особенно сильно проявившихся в период Великой Отечественной войны: малый срок службы свечей существенно влиял на надежность авиационных двигателей и боеготовность самолетов.
В результате выполнения работы по исследованию возможности применения инфракрасных лучей в авиации В.С. Кулебакиным совместно с профессором П.К. Тимофеевым были созданы опытные образцы приборов и аппаратуры, которыми вскоре были оснащены самолеты и аэродромы.
Академик В.С. Кулебакин, являясь выдающимся ученым и организатором науки, одновременно обладал редкой и удивительной способностью находить молодые таланты и привлекать их к творческой работе. Благодаря его усилиям в сороковые годы на кафедре электрооборудования появилась целая плеяда молодых одаренных инженеров, увлеченно работающих в различных научных направлениях, среди них Г.С. Поспелов (впоследствии академик РАН), будущие профессора, доктора технических наук Д.Э. Брускин, В.А. Винокуров, П.Д. Давидов, Ю.П. Доброленский, М.М. Красношапка, В.Т. Морозовский, В.Д. Нагорский, И.М. Синдеев, Б.А. Ставровский и многие другие, впоследствии известные отечественные ученые, которые определили не только направления дальнейших научных исследований кафедры, но и пути развития бортовой электроэнергетики на несколько десятилетий вперед. По существу именно в эти годы и была окончательно сформирована в академии крупная научная школа авиационных электроэнергетиков, возглавляемая В.С. Кулебакиным.
Появление в послевоенные годы летательных аппаратов с реактивными двигателями и их быстрое развитие существенно видоизменили область применения электрической энергии на самолете.
Для реактивных авиадвигателей потребовались принципиально новые, более мощные системы электрического зажигания, основанные на новых физических принципах (отличных от магнето). Серьезные теоретические и экспериментальные исследования низковольтных систем зажигания с полупроводниковыми и эрозионными свечами, а также ряда высоковольтных искровых систем зажигания провели ученые академии И.М. Синдеев и А.А. Натан. Отметим, что методы анализа систем зажигания, разработанные В.С. Кулебакиным и его учениками, успешно используются и в настоящее время при создании полупроводниковых аппаратов зажигания для современных автомобильных и авиационных двигателей.
Значительное влияние на развитие систем автоматического регулирования напряжения и частоты самолетных генераторов и преобразователей электрической энергии оказали работы В.С. Кулебакина по теории инвариантности и импульсному управлению, а также предложенные им методы комбинированного регулирования с перекрестными связями.
Еще в 1932 году была опубликована работа В.С. Кулебакина «К теории самолетных вибрационных регуляторов напряжения», в которой изложены основы теории и методы расчета регуляторов подобного типа, а также определены оптимальные значения основных параметров цепи возбуждения генераторов постоянного тока. Данная работа, посвященная импульсным методам управления различными электротехническими устройствами, как в авиации, так и в наземной технике, была одной из первых в стране. Очевидно, что она представляет интерес и в настоящее время, ибо методы исследования, разработанные для вибрационных регуляторов, применимы и для современных полупроводниковых импульсных регуляторов напряжения авиационных генераторов постоянного и переменного тока.
Впоследствии работы в области импульсного управления были распространены на авиационный электропривод. Академиком В.С. Кулебакиным был разработан импульсный метод регулирования частоты вращения применительно к двигателям постоянного тока с различными системами возбуждения, а его учеником В.А. Винокуровым - применительно к асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором. В дальнейшем вопросами импульсного регулирования асинхронных двигателей с помощью преобразователей частоты занимались В.Д. Нагорский и И.М. Синдеев. Ими был разработан и изготовлен один из первых отечественных преобразователей для этой цели на полупроводниковых приборах.
Впервые проведенные академиком В.С. Кулебакиным исследования асинхронных конденсаторных двигателей завершились ценными практическими разработками и привели в конечном итоге к созданию и внедрению на базе этих двигателей специального электропривода. В 1950 году за данную работу он был удостоен Государственной премии СССР.
Интересные работы по следящему электроприводу и автоматическому регулированию электрических машин проводил К.С. Бобов. Им первым на факультете электроспецоборудования в 1950 году была защищена докторская диссертация, посвященная анализу следящих систем для дистанционного управления авиавооружением. Научные интересы К.С. Бобова охватывали также вопросы электромашинной автоматики, регулирования напряжения авиационных генераторов, параллельной работы бортовых источников электрической энергии. Здесь следует вспомнить работу в области параллельной работы генераторов постоянного тока, выполненную К.С. Бобовым совместно с преподавателем кафедры И.Я. Рабиновичем еще в 1940 году и сыгравшую в свое время важную роль в теории автономных энергосистем.
Заметный вклад в развитие бортовой электроэнергетики внесли исследования, проведенные на кафедре В.Д. Нагорским по электрооборудованию самолетов, автоматизированному электроприводу и системам электрического запуска авиадвигателей. Итогом его работы в области электропривода явилась докторская диссертация «Силовой автоматизированный электропривод самолетных механизмов с асинхронными двигателями». Крупный ученый-энергетик В.Д. Нагорский является автором целого ряда монографий и учебников, которые известны далеко за пределами академии.
Глубокий след в электроэнергетике страны оставили работы видного отечественного ученого в области электротехники, электрических машин и систем электроснабжения профессора Д.А. Городского по исследованию нестационарных режимов электрических машин, моделированию энергосистем, разработке нетрадиционных источников электроэнергии. На базе этих источников была создана электростанция на Кольском полуострове. Проведенные им исследования переходных и установившихся процессов, а также аварийных режимов синхронных машин оказали заметное влияние на формирование математической теории электрических машин и легли в основу современных методов разработки и исследования самолетных генераторов. Монография «Переходные процессы в электрических машинах», написанная Д.А. Городским совместно с В.С. Гороховым в пятидесятые годы, является классической и не потеряла своей актуальности до сего времени.
Проблеме автоматизации электроэнергетических систем ЛА посвящены исследования Д.В. Голубева. Его докторская диссертация "Стабилизация частоты в самолетной электрической системе" положила начало многочисленным работам в этом направлении.
Под руководством В.С. Кулебакина начинал свою научную деятельность действительный член АН СССР и РАН Г.С. Поспелов. Ранние работы Г.С. Поспелова посвящены исследованиям релейно-контактных систем автоматического регулирования и электромагнитного привода органов управления крылатых снарядов. Важные для практики результаты были получены им в содружестве с Ю.П. Доброленским при разработке принципов телеуправления системами авиационного оборудования и вооружения.
Основные результаты исследований, выполненные в области авиационной электроэнергетики, нашли свое отражение в многотомной монографии «Электрификация самолетов», написанной академиком В.С. Кулебакиным и его учениками в начале пятидесятых годов. Эта монография явилась первым в мире фундаментальным трудом, в котором в систематизированном виде освещены основные вопросы электрооборудования самолетов. За второе доработанное издание монографии авторскому коллективу в составе В.С. Кулебакина, И.М. Синдеева, В.Д. Нагорского и В.Т. Морозовского в 1961 году постановлением президиума АН СССР была присуждена премия им. П.Н. Яблочкова (в написании монографии принимали также участие Б.Ф. Федоров и П.Д. Давидов).
Послевоенный период
В послевоенный период учеными кафедры проводились серьезные работы, направленные на создание и совершенствование различных типов специальных электрических машин: электромашинных преобразователей, индукторных генераторов, электрических машин повышенной частоты, двухфазных двигателей с полым ротором, электрических машин авиационной автоматики и др. Интересные работы в этом направлении были выполнены В.С. Кулебакиным, К.С. Бобовым, Д.Э. Брускиным, В.А. Винокуровым, М.М. Красношапкой, Г.И. Панасюком, Н.Г. Широковым и др.
Центральной проблемой электрификации ЛА является проблема генерирования электрической энергии. В пятидесятые годы на борту самолетов появились первые системы электроснабжения (СЭС) переменного тока стабильной частоты. Ученые кафедры внесли значительный вклад в разработку и исследование таких систем с электро-, пневмо- и гидромеханическими приводами постоянной частоты вращения. Работы в этом направлении проводились под руководством М.М. Красношапки, В.Т. Морозовского и Г.В. Орешкевича.
Для исследований, проводимых под руководством В.Т. Морозовского, в лаборатории кафедры был разработан первый в Советском Союзе макетный образец системы переменного тока с приводом постоянной скорости, автоматической стабилизацией частоты и напряжения, защитой от аварийных режимов, а также автоматизацией параллельной работы генераторов. Благодаря работам В.Т. Морозовского удалось преодолеть серьезные трудности, возникшие с обеспечением параллельной работы генераторов переменного тока и равномерного распределения активной и реактивной мощностей при создании систем электроснабжения для самолетов Ил-62 и Ил-76. В.Т. Морозовский внес также заметный вклад в развитие теории многосвязных систем автоматического регулирования, на основе которой им был предложен ряд эффективных способов повышения точности и устойчивости регулирования напряжения и частоты СЭС переменного тока. На базе этих работ в 1963 году им была защищена докторская диссертация. Вышедшая в свет несколько позже его монография по многосвязным системам имеет до сего времени большое прикладное значение для развития систем автоматического управления самолетными энергосистемами.
Начиная со второй половины пятидесятых годов в НИЛ кафедры под руководством Г.В. Орешкевича проводились глубокие теоретические и экспериментальные исследования одиночной и параллельной работы энергоузлов переменного тока с гидромеханическими приводами постоянной частоты вращения. По результатам этих работ была создана самолетная автоматизированная система электроснабжения с гидроприводом, которая по представлению Министра обороны СССР была внесена в книгу Государственной регистрации и получила приоритет Комитета по делам изобретений и открытий. Впоследствии эта разработка была передана в промышленность для внедрения. Активное участие в этих исследованиях принимали также Ю.Е. Воскресенский, В.Д. Константинов и др.
С увеличением высоты и скорости полета ЛА весьма актуальной стала проблема охлаждения авиационных генераторов. Усилиями отечественных ученых и конструкторов были разработаны более совершенные жидкостные и испарительные системы охлаждения. У истоков создания испарительных систем стоял профессор кафедры В.А. Винокуров. Он принимал самое активное участие в разработке высокоэффективных энергосистем с комбинированными системами охлаждения, создании мощных стартер-генераторов для самолета МиГ-25, разработке модифицированных бортовых источников электроэнергии с воздушным охлаждением. Крупный ученый и изобретатель В.А. Винокуров за плодотворную изобретательскую деятельность первым в академии в 1968 году был удостоен почетного звания «Заслуженный изобретатель РСФСР». Им предложены методы расчета ряда специальных электрических машин (повышенной частоты, с асимметричными магнитными системами, электромашинных усилителей и др.). Большое значение имеет разработанная им теория и способы повышения энергетических показателей линейных асинхронных машин, нашедших применение на наземных электролётах.
Под руководством В.А. Винокурова впоследствии Ю.Н. Дедаевым и Ю.Г. Иванишиным были проведены важные исследования воздушных, испарительных и дисперсно-испарительных систем охлаждения для перспективных ЛА.
Крупным вкладом в авиационную науку была разработка И.М. Синдеевым методов автоматического контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния бортового оборудования. Эти методы нашли свое развитие в исследованиях Ю.В. Колузганова, посвященных вопросам совершенствования систем управления силовыми установками.
Имя талантливого ученого и незаурядного человека И.М. Синдеева хорошо известно авиационным специалистам самых различных областей. Свой путь в науку он начал с исследований систем электрического зажигания авиационных двигателей. Результаты этих работ способствовали совершенствованию систем зажигания поршневых авиадвигателей, улучшению их высотных характеристик и послужили основой при разработке принципиально новых систем электрического зажигания для реактивных авиадвигателей. Круг его научных интересов чрезвычайно обширен. Известный ученый в области бортовой электроэнергетики, он явился одним из создателей научных основ отечественного авиационного электрооборудования. Много внимания И.М. Синдеев уделял вопросам авиационного электропривода и систем управления агрегатами ЛА. Разработанные им методы автоматического контроля состояния динамических систем и поиска неисправностей легли в основу докторской диссертации, защищенной в 1965 году. Перу И.М. Синдеева принадлежат многочисленные учебники, монографии и научные статьи, многие из которых стали классическими. Серьезные научные исследования, направленные на совершенствование авиационных электрических устройств и
систем на базе полупроводниковых приборов, были выполнены П.Д. Давидовым. Разработанные им в докторской диссертации методы оптимизации режимов работы полупроводниковых преобразователей электрической энергии имеют важное практическое значение. Достойное место в научной деятельности П.Д. Давидова занимали исследования противообледенительных систем с импульсным управлением, выполненные под руководством и при непосредственном участии академика В.С. Кулебакина.
В шестидесятые годы над проблемами совершенствования электроэнергетических систем самолетов успешно работают К.Д. Рунов и Б.В. Куприн, в трудах которых исследованы аварийные режимы в системах генерирования и распределения электрической энергии, а также Ю.Е. Воскресенский и Г.В. Привалов, разработавшие принципы построения комбинированных регуляторов напряжения самолетных синхронных генераторов.
Семидесятые годы ознаменовались появлением целого ряда новых научных направлений.
Впервые в стране на кафедре электрооборудования Б.В. Куприным и В.М. Зонтовым были разработаны принципы построения и функционирования мультиплексных систем управления электроэнергетическими комплексами и обоснована целесообразность их применения на борту для управления общесамолетным оборудованием. В теоретическом плане были решены актуальные задачи оценки и обеспечения требуемой надежности мультиплексных каналов связи при введении структурной и информационной избыточности.
Поисковые работы в области использования явления сверхпроводимости в электроэнергетических и навигационных системах, а также в системах обеспечения посадки самолетов палубной авиации были выполнены В.Д. Нагорским, В.А. Винокуровым, Г.С. Ивановым, А.Ф. Ефремовым и др. Повышению эффективности проводимых в этом направлении исследований способствовало образование на кафедре научно-исследовательской лаборатории криогенной техники.
Видное место в работах кафедры занимают вопросы структурно-параметрической оптимизации электроэнергетических систем ЛА, начало которым было положено в трудах В.Т. Морозовского, И.М. Синдеева и И.А. Лазарева. Одно из первых отечественных исследований в этом направлении было выполнено С.А. Вороновичем. В нём, помимо синтеза структур систем электроснабжения, проведена оценка влияния массоэнергетических показателей электрооборудования на летно-технические характеристики ЛА. Дальнейшее развитие эта проблема получила в работах В.А. Савенко, В.Б. Прудовского и М.П. Заики. В результате проведенных на кафедре исследований в этой области была предложена методология построения адаптивных структур систем распределения электрической энергии, обладающих повышенной живучестью и устойчивостью к отказам. На базе использования теории нечетких множеств и многоуровневой имитационной модели электроэнергетического комплекса удалось разработать регулярную процедуру структурно-параметрического синтеза, основанную на оптимальном распределении потоков электроэнергии по отсекам с оборудованием. Эффективность генерируемых структурных вариантов оценивалась по показателю полной массы, представляющему собой дальнейшее развитие критерия полетной массы электрооборудования, впервые сформулированного В.С. Кулебакиным.
Непрерывный рост сложности систем электроснабжения летательных аппаратов требовал существенного повышения эффективности управления, что не могло быть обеспечено при сохранении традиционной аппаратуры аналогового типа. В 1975 году на кафедре К.С. Мершавкой были начаты первые в стране работы по внедрению средств цифровой техники в самолетные энергосистемы. Публикации о проведении подобных исследований в США появились лишь в 1979-1980 годах.
В отличие от зарубежных специалистов, рассматривавших применение микропроцессорной техники как переход на новую более эффективную элементную базу, ученые академии считали, что внедрение средств вычислительной техники должно повлечь за собой изменение самих принципов функционирования систем электроснабжения ЛА. Реализация этих задач должна способствовать ликвидации имеющегося несоответствия между энергетическими и информационными структурами, когда несовершенство систем управления не позволяет полностью использовать возможности, заложенные в структуре силовых связей СЭС современных самолетов.
Теоретические основы и методология построения и функционирования цифровых систем управления производством и распределением электрической энергии наиболее полно представлены в работах В.А. Савенко. Им была поставлена и решена задача предельного улучшения основных показателей качества электрической энергии бортовых СЭС. Создан метод безынерционной защиты каналов генерирования, основанный на анализе реакции системы на внутренние и внешние возмущения. Реализация этого метода позволяет отказаться от использования традиционных задержек в срабатывании защиты и обеспечить сокращение длительности нарушенного режима электропитания потребителей почти в 100 раз.
Проводимые в академии работы по цифровым системам управления СЭС с первых шагов нашли понимание и поддержку в организациях авиационной промышленности. Так уже в 1977-1979 годах совместно с Московским агрегатным заводом «Дзержинец» в НИЛ электроэнергетики авиационных и космических летательных аппаратов был создан первый в стране натурный стенд самолетной СЭС с бортовой цифровой вычислительной машиной в контуре управления. Полученные на этом стенде результаты позволили непосредственно перейти к практической реализации научных достижений кафедры в этой области.
В восьмидесятые годы под руководством В.А. Савенко был выполнен ряд исследований по оптимальному и квазиоптимальному управлению СЭС. Результаты этих работ легли в основу алгоритмического обеспечения первого поколения отечественной цифровой аппаратуры регулирования, защиты и управления самолетными системами генерирования электрической энергии.
Важное место в научной деятельности кафедры занимают вопросы повышения качества электрической энергии при нелинейных нагрузках. Разработке методов борьбы с искажениями формы кривой выходного напряжения СЭС посвящены исследования сотрудников кафедры С.И. Кутузова и Н.Г. Широкова. Некоторые результаты этих исследований были опубликованы за рубежом. На решение этих задач направлена оригинальная работа В.А. Орлова по использованию параметрических трансформаторов.
Поиск путей более эффективного использования возможностей электрооборудования для улучшения летно-технических и эксплуатационных показателей самолетов привел ведущих специалистов в области авиационной электроэнергетики к идее создания самолета с полностью электрифицированным оборудованием. Не осталась в стороне от мировых тенденций развития и кафедра электрооборудования, вклад специалистов которой в решение данной проблемы достаточно многообразен. Основные черты концепции полностью электрифицированного самолета (ПЭС) были сформированы в работах К.С. Мершавки, В.А. Савенко, С.А. Вороновича и В.Б. Прудовского. Рассматриваемая концепция предусматривает отказ от использования вспомогательных гидравлических и пневматических энергосистем и переход к единой электроэнергетической системе самолета. В результате выполнения этих мероприятий, охватывающих почти все виды бортового оборудования, предполагается снизить взлетную массу и стоимость самолета, уменьшить расход топлива, снизить затраты на эксплуатацию и обслуживание.
Для научной школы академика В.С. Кулебакина характерна тесная связь между научно-исследовательской работы и учебного процесса. Результаты научных исследований, проводимых на кафедре в разные годы, практически сразу используются при проведении учебных занятий со слушателями и курсантами, что в значительной степени способствует повышению качества преподавания отдельных дисциплин, читаемых на кафедре.
Современность
Появление новых возможностей вычислительной техники позволили разработать новые подходы к моделированию и проектированию сложных электроэнергетических комплексов ЛА. Реализации этих подходов была посвящена докторская диссертация С.П. Халютина. Под его руководством проводились научные исследования по влиянию режимов работы энергосистем традиционных ЛА и самолётов с повышенной электрификацией оборудования на показатели качества электроэнергии (М.Л. Тюляев, Б.В. Жмуров, Я.В. Морошкин, С.В. Корнилов). Моделированию физико-химических процессов в никель-кадмиевых аккумуляторных батареях с целью предотвращения возникновения их теплового разгона посвящены исследования И.Е. Старостина. По результатам этих исследований С.П. Халютиным, М.Л. Тюляевым, Б.В. Жмуровым и И.Е. Старостиным выпущена монография «Моделирование сложных электроэнергетических систем летательных аппаратов». В это же время, С.П. Халютиным и А.А. Титовым издана монография «Некоторые вопросы теоретической электротехники», которая посвящена обобщению аналитических методов расчёта линейных электрических цепей на основе их предельных стояний.
В 2012 году, когда в результате структурных преобразований ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского была объединена с ВВА им. Ю.А. Гагарина и переведена в г. Воронеж, представители научной школы В.С. Кулебакина «Авиационная электроэнергетика» продолжила свою деятельность в рамках научно-производственного предприятия «Экспериментальная мастерская НаукаСофт» и кафедры ЭТ и АЭО МГТУ ГА. К сотрудникам кафедры Электрооборудования, составляющим ядро научной школы, присоединились доктора технических наук В.П. Харьков, который внёс свежую струю в разработку систем управления полностью электрическими самолётами, А.В. Лёвин, один из лучших в России специалистов в области технологии создания систем генерирования электроэнергии на базе магнитоэлектрических генераторов, А.О. Давидов, специалист в области электрохимических систем автономных объектов. Появилась возможность реализовать научно-теоретический задел школы В.С. Кулебакина разработкой и изготовлением конкретного электрооборудования для новых летательных аппаратов.
Как и в начале своей деятельности, научная школа В.С. Кулебакина в 21 веке занимается наиболее важными направлениями в развитии авиастроения, идёт в ногу с мировыми тенденциями. Эти направления деятельности можно условно разделить на 2 составляющие:
1. Исследования в области создания электроэнергетических комплексов нового поколения, стремительно завоёвывающих лидирующее место в обеспечении энергией бортового оборудования, вытесняя гидро- и пневмоэнергетические системы.
2. Решение научно-технических задач, связанных с организацией, проведением и техническим сопровождением испытаний систем электроснабжения и электрооборудования.
Так, в 2013 году было разработано первое в России интеллектуальное распределительное устройство постоянного тока ИРУ-2500 (рис. 4), основанное на микропроцессорном управлении, в создании которого под руководством С.П. Халютина принимали участие Б.В. Жмуров, А.Я. Дерех, В.П. Харьков.
Дальнейшее развитие принципов интеллектуального управления электропитанием привело к созданию нового поколения систем электроснабжения ЛА, которое построено на основе унифицированных интеллектуальных устройств и обладающих расширенными возможностями управления. Б.В. Жмуров возглавил разработку локальных центров управления нагрузками (ЛЦУН-И), управляемых коммутационных устройств (КУ-И), блоков управления электропитанием (УЭП-И), которые стали основой для создания новых отечественных систем электроснабжения (рис. 5-7). Каждое из этих устройств, кроме основных функций (включение/отключение электрически, цепей), обладает рядом дополнительных возможностей – самодиагностирование, обмен данными с информационной системой верхнего уровня иерархии, гибкая настройка параметров защиты и др.
Рисунок 5 – ЛЦУН-И
Рисунок 6 – КУ-И
Рисунок 7 – УЭП-И
Усложнение электроэнергетических систем ЛА, появление возможности использования новых видов электрической энергии (270 В постоянного тока, нестабильной частоты и др.), привело к необходимости автоматизации процесса проектирования систем электроснабжения. В результате исследований, которые проводились Б.В. Жмуровым, П.С. Горшковым и А.П. Патрикеевым по автоматизации проектирования СЭС под руководством С.П. Халютина выпущена монография «Автоматизация проектирования систем электроснабжения воздушных судов» и реализован программный комплекс, позволяющий осуществлять выбор проектных решений СЭС и оценивать их показатели качества. В основу программного комплекса положен разработанный С.П. Халютиным и Б.В. Жмуровым структурно-функциональный метод проектирования электроэнергетических систем ЛА.
В рамках электрификации топливных систем ЛА под руководством Ю.Г. Иванишина при непосредственном участии Б.В. Жмурова разработан отечественный топливный электронасос роторно-вихревого типа на базе бездатчикового бесконтактного двигателя постоянного тока (рис. 8).
Под руководством А.В. Лёвина разработан магнитоэлектрический двигатель-генератор на 30 кВт (рис. 9), предназначенный для привода винта в силовых установках полностью электрического самолёта с возможностью рекуперации энергии.
Под руководством А.О. Давидова проводятся исследования в области создания отечественных высокоэнергоёмких аккумуляторных батарей на основе литий-ионных технологий, которые должны стать одним из источников систем электроснабжения нового поколения и ПЭС.
Рисунок 8 – Вихревой топливный насос
Рисунок 9 – Детали силовой установки ПЭС АВФ-32НС
Вершиной электрификации летательных аппаратов является создание полностью электрического самолёта. Аналитические исследования в области создания ПЭС опубликованы в 2014 году в монографии «Электрический самолёт: концепция и технологии», авторами которой являются А.В. Лёвин, С.М. Мусин, С.А. Харитонов, К.Л. Ковалёв, А.А. Герасин и С.П. Халютин.
В результате исследований В.П. Харькова, С.П. Халютина и А.А. Богданова были определены области допустимых весовых, энергетических и аэродинамических характеристик полностью электрических самолётов, которые возможно реализовать на основе имеющихся в настоящее время технологий. В рамках инициативной НИОКР выбрана предполагаемая для реализации конфигурация ПЭС (полная масса 1500 кг, скорость полёта 200 км/час, время полёта 8 часов). А.О. Давидовым вместе О.А. Оводковым рассчитаны планер (рис. 9), силовая установка (рис. 8) и энергосистема ПЭС АВФ-32НС. В качестве источников электроэнергии планируется использовать литий-ионные аккумуляторные батареи, водородные топливные элементы и солнечные панели.
Рисунок 9 – Планер ПЭС АВФ-32НС
Немаловажным направлением деятельности научной школы являются работы по созданию средств контроля и испытания новых образцов систем электроснабжения и электрооборудования.
Разработанный в «Экспериментальной мастерской НаукаСофт» под руководством Б.В. Жмурова стенд для испытаний систем электроснабжения нового поколения, размещённый на базе АО «Аэроэлектромаш», позволил в кратчайшие сроки отработать взаимодействие агрегатов и аппаратуры управления, определить параметры защит от аварийных режимов СЭС.
Усовершенствованный испытательный стенд для СЭС с распределённой системой микропроцессорного управления, обладающей расширенными возможностями реконфигурации и диагностирования, разработан А.О. Давидовым и Б.В. Жмуровым для казанского предприятия «ОКБ им. П.А. Симонова».
Под руководством В.П. Харькова был спроектирован и реализован программно-аппаратный комплекс для проведения полунатурных испытаний новых рулевых электроприводов, разрабатываемых в ФГУП НИИСУ, позволяющий исследовать их динамические свойства в условиях, приближенных к реальному полёту.
Для измерений и контроля показателей качества и других параметров электроэнергии систем электроснабжения летательных аппаратов под руководством профессора Соколова В.С. усовершенствована разработанная им ранее мобильная информационная система (МИВС), которая стала обязательной для применения при проведении ОКР по созданию новой авиационной техники ВВС. Непосредственное участие в аппаратной модернизации и доработке специализированного программного обеспечения МИВС принимали Б.В. Жмуров, В.А. Кромин и О.О. Казьмин.
Следует отметить, что научная школа «Авиационная электроэнергетика», основанная В.С. Кулебакиным, продолжает своё развитие и в других ВУЗах России – в НГТУ направление статических преобразователей электроэнергии возглавляет доктор технических наук С.А. Харитонов, в МАИ направление сверхпроводящих электрических машин развивается под руководством доктора технических наук К.Л. Ковалёва, в МЭИ направление создания высокоскоростных (до 300 об/мин) электрических машин возглавляет заведующий кафедрой ЭКАО М.Ю. Румянцев. Также научными исследованиями в области авиационной электроэнергетики занимаются доктора технических наук Б.С. Зечихин (МАИ), Г.С. Мыцык (МЭИ), Ф.Р. Исмагилов (УГАТУ), А.Г. Гарганеев (ТПУ), В.Т. Пенкин (МАИ), Калужский Д.Л. (НГТУ), В.Г. Ерёменко (МЭИ), А.В. Самсонович (МАИ) и др.
Налажено тесное сотрудничество научной школы «Авиационная электроэнергетика» с Ассоциацией разработчиков, изготовителей и потребителей средств электропитания, которая объединяет более 20 ведущих промышленных предприятий – разработчиков электронных компонентов, модулей, блоков и агрегатов для электропитания не только авиационного оборудования, но и морских и наземных автономных систем. Взаимодействие с Государственным лётно-испытательным центром Минобороны им. В.П. Чкалова и Государственным научным центром «ЛИИ им. М.М. Громова» осуществляется не только по вопросам испытания электроэнергетических систем, но и в области подготовки научных кадров высшей квалификации.
Прошло более 90 лет с того момента, когда В.С. Кулебакин впервые переступил порог академии. За это время в рамках школы В.С. Кулебакина многие сотрудники и воспитанники академии стали известными учеными, высококвалифицированными педагогами и научными работниками. Среди них 2 действительных члена АН СССР, лауреат Ленинской премии, 5 лауреатов Государственной премии, 4 лауреата премии им. П.Н. Яблочкова, 5 заслуженных деятелей науки и техники РСФСР, заслуженный деятель науки и техники УССР, заслуженный изобретатель РСФСР, более 25 докторов технических наук, свыше 150 кандидатов технических наук.
Пройден огромный путь от магнето до полностью электрического самолета. Научная школа академика B.C. Кулебакина плодотворно работает, решает важнейшие государственные задачи в области электроэнергетики летательных аппаратов и остается одним из лидеров мировой авиационной электроэнергетической науки.