С научно-инженерной точки зрения интерес к машинам Стирлинга остаётся неизменным: интервью с профессором Максимом Куколевым

В редакцию журнала «Современное машиностроение» поступает множество вопросов, касающихся современного состояния и перспектив развития тепловых двигателей Стирлинга. Мы попросили ответить на них члена-корреспондента Академии военных наук, профессора Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Максима Куколева. С ним беседовал главный редактор "СМ" Виктор Леонов

Виктор Леонов. Максим Игоревич, ещё каких-то 8 – 10 лет назад мы наблюдали возрождение активного интереса у энергетиков к тепловым машинам, особенно это касается энергетических установок на основе двигателей Стирлинга. А потом количество публикаций на эту тему заметно убавилось, некоторые компании, планирующие серийный выпуск микро-ТЭС на основе двигателей Стирлинга объявили о своём банкротстве. Сейчас, по моим личным наблюдениям, интерес опять растёт. Так ли это, или я ошибаюсь?

Максим Куколев. Виктор Витальевич, согласитесь, что необходимо отделить научно-популярные публикации от научных работ. Чередование интереса к тематике с её «забвением» мы оцениваем чаще всего именно по научно-популярным статьям, по их количеству в журналах, газетах и, сегодня, по сетевым новостям.

Не будем ещё забывать про патенты, отечественные и зарубежные, которые просматривает значительно меньшее количество людей. Вроде бы, чем больше патентов, тем больше интерес общества к тематике. Это тоже очень приблизительная оценка. У серьёзных разработок, до некоего момента, может вообще наблюдаться очень малое количество патентов. Причём патентуются иногда решения, не имеющие серьёзных перспектив развития, но уводящие конкурентов с «магистрального» пути исследований и разработок. Иногда резкое прекращение патентования по какой-то тематике может вообще свидетельствовать не о падении интереса, а наоборот. Вспомним знаменитую историю с атомной тематикой 30-х и 40-х годов двадцатого века, очень показательно…

Вы правы относительно того, что некоторые компании, планировавшие серийный выпуск микро-ТЭС на основе двигателей Стирлинга, объявили о своём банкротстве. Это вполне объяснимо. Такие машины внешне просты и, вроде бы, изучены досконально с пресловутого 1816 года (год получения патента Робертом Стирлингом, прим. ред.). Такое количество маленьких работающих моделей в сети можно найти! Только покупай или делай, если хочешь, сам. Однако, попытки перейти к мощностям на выходном валу от долей ватта к одному-пяти киловаттам уже начинают сталкиваться с лавинообразным нарастанием инженерных проблем. А уж фундаментальными принципами создания машин с мощностями десятки и сотни киловатт владеют единичные коллективы и отдельные исследователи во всём мире. Только они, по понятным причинам, не спешат делиться своими наработками, по крайней мере, в научно-популярной, общедоступной печати.

Стирлинги, как тепловые машины и механизмы, представляют собой очень сложные системы, причём исследованные в крайне недостаточной степени! Из всех работавших и работающих машин по прямому или обратному циклам Стирлинга не работает ни одна! На практике реализовано лишь приближение к этим циклам. Поэтому, как показывает жизнь, с научно-инженерной точки зрения интерес к тепловым машинам, машинам Стирлинга, двигателям или холодильным, остаётся неизменным.

Виктор Леонов. В нашей стране ведутся какие-то работы по этому направлению?

Максим Куколев. Один из моих настоящих «инженерных» учителей, доцент Костин Анатолий Иванович, как-то сказал: «Была такая великая Атлантида по названию «Отечественное машиностроение»! – в этих горьких словах сконцентрировано очень многое…

Так, существовал ЦНИДИ в Ленинграде, где проводился целый комплекс очень перспективных исследований двигателей с внешним подводом теплоты. Работы были как чисто теоретическими, так и доведёнными до действующих образцов. Если мы откроем номера журнала «Двигателестроение» за 70-е, 80-е и 90-е годы, то практически в каждом номере можно увидеть статьи по обсуждаемой нами проблеме (Н.Н.Иванченко, Ю.И.Бурцев, М.С.Сегаль, Ю.В.Красивский, М.Р.Петриченко, В.В.Ставицкий, А.В.Добросоцкий и др).

В ЦНИИ имени академика А.Н.Крылова, решая проблему снижения шумов кораблей и подводных лодок, неизбежно подошли к варианту применения двигателя Стирлинга. В 1976 году вышла в открытой печати едва ли не первая в СССР книга Э.Л.Мышинского и М.А.Рыжкова-Дудонова по судовым машинам с внешним подводом теплоты.

Вопросами применения двигателя Стирлинга в космосе занимались в МАИ. Уникальная лаборатория двигательного факультета по солнечной энергетике одним из направлений исследований обоснованно выбрала именно эти машины (О.И.Кудрин, Ю.Б.Васильев и др.). Здесь же нельзя не вспомнить работы учёных Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского (Г.В.Шпырин, Н.Г.Кириллов, Ю.М.Сударь и др.).

Над вопросом применения двигателей Стирлинга в автомобилестроении успешно работали специалисты МАДИ под руководством А.И.Лушпа с 1971 года. Она с коллегами изучала процессы горения во внешнем контуре, передачи теплоты рабочему телу двигателя и исследованию особенностей конструкций, присущих автотранспорту.

В Челябинске работал профессор В.С.Кукис. Под его руководством с 70-х по начало этого века проведены исследования по утилизации теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания с помощью машин Стирлинга.

Уникальный опыт подготовки высококвалифицированных кадров имеет МГТУ имени Н.Э.Баумана. Здесь усилиями отечественных учёных, прежде всего Севера Ивановича Ефимова, читались специализированные курсы по машинам Стирлинга.

Не хотел бы, чтобы сложилось впечатление, что в начале 90-х тематика перестала быть актуальной. Это далеко не так! Выше упомянуты далеко не все исследователи и их работы. Важно, что их опыт позволил в «лихие 90-е» двигаться дальше.

Так, в СПб ГМТУ С.П.Столяров провёл обстоятельные исследования теплообменников двигателей Стирлинга. Работы успешно продолжаются и сегодня.

В Самарском национальном исследовательском университете имени академика С.П.Королёва под руководством профессора А.И.Довгялло много лет исследуются различные машины Стирлинга. Сегодня здесь развивается очень перспективное направление - термоакустические машины.

Большой вклад в популяризацию среди студентов рассматриваемой тематики внёс профессор СПбПУ В.П.Бреусов. К 100-летию Инженерно-строительного института он опубликовал монографию с кратким изложением работ в России и за рубежом по двигателям Стирлинга.

Виктор Леонов. Насколько я помню, большие надежды возлагались на криогенные поршневые машины, выпускались даже бытовые холодильники, работающие по обратному циклу Стирлинга. Как с этим обстоят дела сегодня?

Максим Куколев. В настоящий момент в России исследования проводят несколько коллективов.

Могу сказать про наш Политех. Здесь, в кооперации с ООО «Тепловые Моторы», мы с аспирантами и студентами, построили два исследовательских стенда холодильных машин Стирлинга. Один стенд с 2017 года работает в Сколковском институте наук и технологий в Москве, другой в швейцарском технопарке Moba Haus (г. Санкт-Петербург) с 2021 г. Обе машины создавались, кстати, при консультационном участии М.М.Ткаченко. Он, в своё время, занимался вопросами создания холодильных машин Стирлинга в КБ «Арсенал». Таким образом, сохраняется связь поколений инженеров. А тематика машин Стирлинга продолжает оставаться актуальной.

Виктор Леонов. Максим Игоревич, я благодарю вас за содержательную и очень интересную беседу. Надеюсь, у нас ещё будет возможность вернуться к этой теме.