ЭНЕРГЕТИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭНЕРГЕТИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

Эффективное развитие надежности, экономичности и экологичности энергетики страны определяется в значительной мере фундаментальной и прикладной наукой. Совершенствование схем и параметров электростанций, электросетей, способов получения и использования различных типов топлива для них и, особенно, поиск принципиально новых решений этих проблем определяют задачи наших институтов. Прежде всего, для анализа стратегий развития отраслей топливно-энергетического комплекса (от добычи топлива до обеспечения страны электроэнергией и теплом, а транспорта – топливом) во взаимосвязи с экономикой и оценки возможных последствий оперативных решений был создан интерактивный модельно-компьютерный комплекс. На его базе в ИНЭИ РАН был смоделирован вариант развития энергетики России до 2030 г. Исследования, обеспечивающие повышение эффективности тепловых систем и машин на основе совершенствования газодинамики, теплообмена и горения за счет разработки новых математических моделей велись в ОИВТ и ИТ СО РАН.

Исследования, направленные на повышение тепловой и экологической эффективности, наиболее развивающихся в последние годы схем создания электростанций на основе газотурбинных установок базовой энергетики в парогазовых циклах и малой энергетики в газотурбинных установках с впрыском воды и пара велись в ОИВТ. Реализация же возможности значительного снижения потерь в электрических сетях на основе сверхпроводников была показана в работах Института низких температур при Московском авиационном институте и ФТИ РАН.

Решение ряда экологических проблем при сжигании вредных отбросов и создании новых промышленных технологий получено в исследовании ИЭиЭ РАН, посвященном сильноточным дугам в газовых потоках. В связи с расширением строительства атомных электростанций ученые РАН принимали активное участие в проектировании новых типов реакторов. Большой цикл научных проблем будущей энергетики рассмотрен в исследованиях ОИТВ, посвященных изучению свойств и возможностей использования термоядерной и низкотемпературной плазмы.

Анализ состояния машиностроительного комплекса страны и прогнозные оценки его развития до 2030 г. были выполнены в 2008 г. согласно указанию Президента Российской Федерации и распоряжению Президиума РАН. Направленность дальнейших фундаментальных и прикладных разработок по проблемам машиноведения и развитию ведущих отраслей машиностроения нашла свое отражение в материалах указанного прогноза и была обсуждена на Общем собрании РАН. Общая структура фундаментальных, поисковых и прикладных исследований междисциплинарного характера в области машиноведения и машиностроения разработана в ИМАШ РАН, ИПМАШ РАН, ИМАШ УрО РАН, ИФТПС СО РАН, ИММ КазНЦ РАН, ИВМ СО РАН, НЦНВМТ РАН во взаимодействии с ведущими отраслевыми НИИ. По мнению головного института в этой сфере – ИМАШ РАН, приоритетными направлениями исследований до 2030 г. являются: анализ и синтез машинных комплексов, развитие эргономики и биомеханики человеко-машинных систем, динамики машин и вибрационных процессов в технике, изучение перспективных материалов и технологий машиностроения, а также развитие теории техногенной безопасности.

В НЦНВМТ РАН разработана обобщенная теория нелинейной и волновой механики и технологий и созданы головные образцы новой техники для нефтегазового, строительного и оборонного машиностроения. Фундаментальные исследования ИМАШ РАН и ИПМАШ РАН вопросов прочности, ресурса, живучести и безопасности машин, являющихся объектами технического регулирования, опасными производственными объектами и критически важными для национальной безопасности объектами инфраструктур, обобщены в пяти томах серии книг «Безопасность России». В работах ИПМАШ РАН разработаны научные основы комплексных методов термомеханического и физико-химического упрочнения несущих элементов машин в условиях штатных и экстремальных воздействий. Исследования ИМАШ УрО РАН позволили рассматривать и диагностировать физико-механические состояния критических зон машин и конструкций в условиях сложных напряженных состояний.

Исследования рабочих процессов, динамики ресурса и экологии новых машин и энергоустановок, использующих нетрадиционные энергоносители (ядерные, водородные или газовые), проводились в ИМАШ РАН и его филиале. Результаты фундаментальных исследований использовались в совместных разработках институтов РАН, НИИ и КБ отраслей в атомном и тепловом энергомашиностроении, ракетостроении, авиации, на железнодорожном и автомобильном транспорте, в нефтегазовом и химическом комплексах.

Механика развивается не только в институтах РАН и высших учебных заведениях, но и в исследовательских институтах наукоемких отраслей промышленности. Достижения в области методов и средств измерений физико-механических параметров, в вычислительной технике способствуют более глубокому изучению сложных механических систем в условиях действия механических нагрузок, физических полей и воздействия активных сред. Результаты, полученные в области механики в 2008 г., отличаются органичным сочетанием экспериментальных, теоретических и расчетных подходов к решению актуальных проблем создания новых материалов с многоуровневой структурой и повышенными служебными характеристиками, проектирования новых типов конструкций и сооружений, предназначенных для работы в экстремальных условиях, разработки методов и средств прогнозирования протекания природных процессов. Существенные достижения имеются в таких актуальных областях механики, тесно связанных с созданием перспективных образцов военной техники, как механика гиперзвуковых и трансзвуковых течений газа, нелинейная механика деформирования, прочности и долговечности конструкций из наполненных полимерных материалов, механики движительных комплексов. Состоявшийся в 2008 г. Международный конгресс по теоретической и прикладной механике подтвердил высокий уровень проводимых в России исследований, а также их соответствие мировому уровню.

Исследования в сфере механики проводятся по следующим основным направлениям: создание и обоснование новых математико-механических моделей и методов исследования природных объектов и явлений; моделирование и повышение эффективности и экологической безопасности технологий добычи и переработки природного сырья; теоретические и экспериментальные исследования механики неравновесных, неидеальных и многофазных сред, явлений гидромеханики; теоретические и экспериментальные исследования гиперзвуковых аэродинамических явлений как основы создания летательных аппаратов нового поколения; теоретические и экспериментальные исследования способов управления потоками жидкости, газа и плазмы; теоретические и экспериментальные исследования процессов деформирования, прочности и разрушения твердых тел на основе многоуровневого подхода с приложениями в областях создания новых материалов и технологий, включая композиционные материалы, наноматериалы и нанотехнологии, а также в области разработки методов прогнозирования и повышения ресурса, надежности, живучести и безопасности конструкций и сложных технических систем; исследования по общей механике, динамике космических тел, управляемых и неуправляемых аппаратов; теоретические и экспериментальные исследования трибологии и явлений износа; исследования по динамике и управлению движением механических систем, включая транспортные средства и робототехнические системы; решение фундаментальных и прикладных проблем механики мини- и микророботов; теоретическое и экспериментальное изучение механических явлений в экстремальных условиях вещества, исследование динамики ударно-волновых процессов, горения и детонации; исследования по биомеханике.

Как и прежде, механика и ее новейшие достижения будут широко использоваться для решения проблем повышения обороноспособности страны.

Современная теория управления представляет собой разветвленное научное направление, использующее аппарат классической теории автоматического регулирования и управления, кибернетики, методов оптимизации, исследования операций и искусственного интеллекта, теории принятия решений и охватывающее проблемы управления системами самой разнообразной природы, масштаба и назначения. В то же время более традиционные области использования теории управления – сложные технические системы, робототехника, авиация, навигация, космос, обработка изображений и многие другие – будут сохранять существенную роль стимула для развития теории и областей ее приложений. Перед теорией управления в период до 2030 г. стоят сложные и ответственные задачи. Это обусловлено не только растущей ролью управления как неотъемлемой черты инновационного развития, но и управления как средства выживания, стабильности и безопасности в современных, быстро меняющихся условиях.

В теории управления все большую роль будет играть исследование нелинейных систем. Здесь можно ожидать прогресса в области синтеза нелинейных управлений, появления новых типов обратной связи, исследований хаоса, синхронизации, других специфических нелинейных эффектов. Все большее распространение получат модели гибридного управления, включающие логические и непрерывные компоненты. Особую роль будет играть сетевое и интеллектуальное управление авиационно-космическими, морскими и наземными объектами, в том числе – интеллектуальное планирование действий в беспилотных аппаратах. Широчайшие перспективы открываются для применения идей управления в биотехнологиях, биоинформатике, медицине. В частности, в системах управления в медицине все большую роль должны играть интеллектуальные экспертные системы, способные управлять лечебным процессом, повышать качество медицинских диагнозов и освобождать врачей от большого объема рутинной работы. Очень важны модели управляемых эколого-экономических систем.

К разработкам в области критических технологий Российской Федерации относится технология создания и управления новыми видами транспортных средств, где будет необходимо достичь нового уровня автоматизации и распределения функций между оператором и системой управления, а в автономных движущихся объектах – нового уровня универсальности и интеллектуальности. Это же актуально и для управления технологическими процессами.

Необходимо развивать оптимальное адаптивное управление, позволяющее активно устранять априорную неопределенность, обеспечивать высокую точность управления при сложных многокомпонентных ограничениях, при изменениях конфигурации, в критических и закритических режимах, при неустойчивости объекта на основных и нештатных режимах, при упругости его конструкции, при повреждениях или отказах части органов управления и элементов конструктивной схемы. Нужно развивать также теорию робастных систем управления, осуществляющих пассивное парирование влияния неконтролируемых факторов.

В области навигации и наведения движущихся объектов должна развиваться теория навигационных и гироскопических систем, основанная на комплексировании инерциальных навигационных систем со спутниковыми радионавига­ционными системами, корреляционно-экстремальными системами навигации и наведения по физическим полям, обзорными системами с распознаванием образов и ориентиров. В области задач управления системами междисциплинарной природы (организационно-техническими, медико-биологическими, эколого-экономическими и др. системами) будут развиваться экспертно-классификационные, экспертно-статистические и так называемые «активные» модели управления.

Будут играть важную роль системы интеллектуальной поддержки принятия управленческих решений (от предприятия до государственных органов), в частности, так называемые когнитивные системы, которые способны вести мониторинг текущей ситуации, включая обработку текстовой информации, давать прогнозы развития ситуации на основе включения экспертных знаний, рекомендации по принятию решений. Такие системы особенно важны для целей стратегического планирования в условиях неопределенности, когда нет возможности получить достоверные количественные прогнозы. Они дают характеристику общих тенденций развития и указывают на возможные побочные последствия принимаемых решений.