Revista >> Decembrie 2023 [Nr. 260] >> Cover Story

Excelența COMOTI, recunoscută la cel mai înalt nivel

Dr. ing. Dan Ifrim, dr. ing. Radu Mihalache, dr. ing. Gheorghe Matache

14 Decembrie 2023

Dr. ing. Valentin Silivestru a fost decorat de Președintele României cu Ordinul Național „Serviciul Credincios” în grad de Cavaler

Preşedintele Klaus Iohannis a decorat, într-o ceremonie care a avut loc la Palatul Cotroceni, mai multe personalităţi civile cu prilejul Zilei Naţionale a României. Şeful statului a acordat Ordinul Naţional „Serviciul Credincios" în grad de Cavaler dr. ing. Silivestru Valentin, director general al Institutului Naţional de Cercetare - Dezvoltare Turbomotoare COMOTI. Această distincție conferită la vârful statului român confirmă și recompensează calitățile de excepție, pe parte managerială și de lidership, ale dr. ing. Valentin Silivestru, care, în cei 20 de ani de când conduce institutul, l-a ridicat la nivel de excelență în cercetarea națională și în cea de talie internațională.
COMOTI este în prezent unul dintre cele mai performante INCD-uri din România și singura unitate specializată din țară care integrează activităţile de cercetare ştiinţifică, proiectare, producţie, experimentare, testare, transfer tehnologic şi inovare în domeniul turbomotoarelor de aviaţie, motoarelor industriale cu turbină cu gaze şi maşinilor paletate de turaţie înaltă. În timp, COMOTI a devenit o marcă recunoscută, deschizând totodată noi direcții de cercetare a unor tehnologii emergente. În cover story-ul acestei ediții evidențiem proiectele și căile de consacrare ale COMOTI într-o industrie europeană de top, cea spațială, precum și o nouă direcție de cercetare a institutului, fabricația aditivă, care consolidează procesul de afirmare în elita cercetării din domeniului aerospațial.

„Vă felicit şi trebuie să vă spun că mi-a făcut mare plăcere să vă decorez. Proveniţi din mediul educaţional, sanitar şi de cercetare şi cu ocazia sărbătorii naţionale am decis să acord aceste distincţii persoanelor, respectiv instituţiilor reprezentate. Dar cum persoanele sunt parte din echipe în instituţii şi instituţiile sunt conduse de echipe şi persoane, cred că vă daţi seama că, în realitate, reprezentaţi astăzi întregul mediu în care vă desfăşuraţi activitatea. În acest sens, felicitări dumneavoastră, colegelor şi colegilor dumneavoastră, elevelor şi elevilor cu care lucraţi!", a declarat şeful statului în cadrul ceremoniei din timpul Zilei Naționale a României. Imaginea surprinde momentul decorării dr. ing. Valentin Silivestru, directorul general INCD Turbomotoare COMOTI

Ariane 6, o poveste europeană de succes cu participare românească. COMOTI, uncontributor cheie
În ultimii ani COMOTI a înregistrat o creştere substanțială a numărului de proiecte în domeniul spaţial, un succes notabil la nivel european fiind contribuția institutului la dezvoltarea rachetei Ariane 6. Datorită participării COMOTI, cifra 6 pictată pe corpul rachetei conține și steagul României, un motiv de mândrie pentru țara noastră și o recunoaștere a cercetării românești.
Istoria Ariane este strâns legată de apariția Agenției Spațiale Europene. Dezvoltarea unui lansator european care să asigure accesul la spațiu și independența în domeniu față de Statele Unite a fost în permanență un obiectiv de importanță strategică. Franța, Germania și Marea Britanie au militat pentru realizarea sa, împărțindu-și rolurile, Marea Britanie urmând a dezvolta prima treaptă, Franța pe a doua, iar Germania pe a treia. Primele lansări au fost eșecuri care au zdruncinat parteneriatul, dar Franța a insistat în continuarea eforturilor, iar ministrul britanic pentru spațiu a propus constituirea Agenției Spațiale Europene din cele 2 agenții existente - European Launcher Development Organisation (ELDO) și European SpaceResearch Organisation (ESRO). Se poate spune ca dezvoltarea Ariane a fost catalizatorul acestei reforme instituționale, așa cum este considerată acum de către ESA. Convenția din 30 mai 1975 pentru înfiinţarea Agenţiei Spaţiale Europene – ESA preciza că aceasta este „poarta spre spaţiu a Europei, misiunea acesteia fiind aceea de a dezvolta capacităţile din spaţiu ale Europei şi de a asigura ca investiţiile în acest domeniu să aducă din ce în ce mai multe beneficii tuturor cetăţenilor Europei, iar prin coordonarea resurselor financiare şi intelectuale ale membrilor săi, aceasta poate întreprinde programe şi activităţi mult peste obiectivele unei singure ţări europene, menite a descoperi mai multe despre Terra, spaţiul din imediata apropiere a acesteia, despre Sistemul Solar şi despre Univers, precum şi de a dezvolta tehnologii şi servicii de satelit, în acelaşi timp elaborând şi implementând politica industrială corespunzătoare“. Fără dezvoltarea Ariane toate acestea ar fi fost doar vorbe. Programul Ariane a pemis accesul independent al Uniunii Europene la spațiu și o mare varietate de misiuni științifice și comerciale.
În decembrie 1979, la doar 4 ani de la înființarea ESA, a fost lansată Ariane 1. Au urmat dezvoltări, notabilă fiind Ariane 4, dar mai ales Ariane 5, una dintre principalele rachete de transport greu din lume. Ariane 5 a efectuat 117 misiuni, a plasat pe orbită 197 de sateliți, dar a și trimis în spațiul cosmic îndepărtat misiuni spațiale importante, la ultima dintre ele, JUICE, INCDT COMOTI contribuind prin realizarea facilităților în care s-au testat la șocuri termice cuprinse între 40° K și (-233° C) și 400° K (127° C) toate componentele sondei spațiale, inclusiv panourile solare și antena, ce au dimensiuni considerabile.
Înlocuitorul acesteia, Ariane 6, a trecut recent cu succes de testele motorului principal, efectuate la baza ESA din Guyana Franceză. Motorul său de bază a funcționat 426 de secunde și s-a considerat că a fost depășit un moment critic, ceea ce va permite efectuarea în 2024 a primului său zbor de testare.
Ariane 6 va avea două versiuni, Ariane 6.2 și Ariane 6.4 cu două și respectiv 4 boostere. Ariane 6.2 va putea lansa sarcini utile de aproximativ 4.500 kg pe orbita geostaționară și de 10.300 kg pe orbita joasă a Pământului, iar Ariane 6.4 va putea lansa aproximativ 11.500 kg pe orbita de transfer geostaționară și 20.600 kg pe orbita joasă a Pământului. Ariane 6 va avea aproximativ 60 de metri înălțime și va cântări aproape 900 de tone cu o sarcină utilă completă. Ariane 6 va putea lansa atât sarcini utile grele, cât și ușoare pentru aplicații legate de observarea Pământului, telecomunicații, meteorologie, știință și navigație, pe o gamă largă de orbite.
Treapta principală este propulsată de motorul cu combustibil lichid Vulcan 2.1 și de cele 2 sau 4 bustere P120C cu combustibil solid. Motorul Vinci al treptei superioare funcționează cu oxigen lichid și hidrogen lichid și poate fi pornit și oprit de mai multe ori. INCDT COMOTI a contribuit la dezvoltarea standului de testare a acestuia, prin realizarea de calcule la sistemele de exhaustare și sistemele pentru simularea altitudinii ridicate. Un reprezentant al său a și participat la avizarea finală a bancului de testare.
INCDT COMOTI a participat și la dezvoltarea rezervorului cu perete comun al treptei superioare pentru oxigen lichid și hidrogen lichid. Colectivul de profil al institutului a dezvoltat sistemele antivortex ce elimină tendința de rotire a lichidelor criogenice din cele 2 compartimente ale rezervorului, difuzoarele destinate umplerii, dar și injecției de Heliu pentru echilibrarea presiunii, precum și dispozitivele de prelucrare și asamblare a peretelui comun, ce nu permite transferul termic între compartimente, eliminând posibilitatea fierberii hidrogenului lichid. În cadrul aceluiași colectiv au fost dezvoltate tehnologii de prelucrare și deformare a materialelor pentru realizarea capacelor rezervorului comun.

Pe drumul dezvoltării deechipamente strategice pentruindustria spațială
Industria spațială la nivel internațional se dezvoltă exponențial, iar principalele tendințe de creștere comercială prognozate pentru perioada următoare includ misiuni științifice și de explorare, sisteme de lansare reutilizabile, turismul spațial, diferite programe și inițiative de curățare a deșeurilor spațiale sau dezvoltarea unor diverse constelații de sateliți, în special proiecte ce țintesc Orbita Joasă a Pământului (LowEarth Orbit) cu costuri reduse de dezvoltare și lansare.
Agenţia Spaţială Europeană (ESA) reprezintă principala entitate europeană ce participă la definirea strategiilor și coordonează misiunile spațiale europene. ESA este poarta de acces către spaţiu a Europei. Misiunea sa constă în dezvoltarea capacităților spațiale ale Europei şi în garantarea faptului că investițiile în cercetarea spațială vor continua să asigure avantaje cetățenilor din Europa şi nu numai.
România ca membră ESA din 2011 are acces la fonduri ESA și oportunitatea de a contribui la misiuni spațiale cu impact major asupra societății.
Principalul avantaj al aderării la ESA constă în faptul că, pentru fiecare euro investit de guverne în programele ESA, studiile au arătat un factor de multiplicare în economie între 4 (beneficii industriale directe) și 16 (prin efectul de propagare în alte zone ale economiei).
Investițiile în programele ESA generează, de asemenea, venituri guvernamentale semnificative deoarece contribuțiile la programele ESA sunt returnate guvernelor sub diferite forme, dintre care menționăm: acces la partea de monitorizare a Pământului, securitate internațională, impozit pe venit, impozite pe produse (inclusiv taxa pe valoarea adăugată) și contribuții la asigurările sociale. Sumele alocate prin ESA pot fi utilizate integral de către institutele de cercetare naționale, de către universități și companii de înaltă tehnologie românești, pentru a permite accesul organizațiilor din România la tehnologiile din patrimoniul ESA, în vederea dezvoltării și promovării de capacități naționale de cercetare, educaționale și industriale, în domeniile spațial, aeronautic, securitate și alte domenii conexe.
În plus, printre numeroasele avantaje ale apartenenței României la grupul de state membre ESA se numără și impactul pozitiv asupra dezvoltării tehnologiei spațiale. Acesta poate fi cuantificat, de la un an la altul, prin numeroasele proiecte finanțate de ESA pentru care entități românești sunt contractate.
Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Turbomotoare COMOTI reprezintă una din entitățile principale din România care activează în acest domeniu de avangardă al științei și cunoașterii, având rezultate notabile și apreciate de organismele sau industria europeană.
De exemplu, COMOTI dezvoltă pentru industria spațială diferite mecanisme, sisteme de propulsie, echipamente pentru noile sisteme de lansare europene, pompe centrifugale pentru sistemele termice active ale sateliților sau echipamente necesare pentru integrarea, manipularea, testarea și transportul noilor sateliți sau navelor spațiale. COMOTI a contribuit cu succes la misiuni cu impact semnificativ, precum JUICE sau PROBA 3, și are în implementare proiecte din cadrul misiunilor Mars Sample Return sau Artemis.
Pentru multe din activitățile menționate anterior, COMOTI continuă să crească gradul de maturitate tehnologic, iar unele produse vor ajunge să opereze în spațiu în perioada următoare. Așadar, unul dintre obiectivele
COMOTIeste de a dezvolta produse de tipul „flight-hardware” pentru industria spațială, cu scopul de a deveni unul dintre furnizorii consacrați de astfel de echipamente în Europa. Un exemplu concret constă în dezvoltarea mecanismelor de tip HoldDownReleaseMechanism (HDRM) din cadrul misiunii comune NASA – ESA, MarsSampleReturnMission. Scopul acestei misiuni este de a colecta și aduce înapoi pe Pământ probe de pe suprafața planetei Marte. Pentru a atinge acest obiectiv va fi dezvoltat un sistem complex cu un braț robotic care va colecta mostrele. Acestea conțin probe din sol, roci sau chiar atmosferă marțiană care vor fi analizate în detaliu în laboratoare specializate. Mecanismele dezvoltate de COMOTI sunt elemente critice la nivelul misiunii. Din aceste motive, există cerințe foarte stricte care condiționează dezvoltarea mecanismelor, pornind de la încărcări mecanice și termice, până la aspecte ce țin de contaminarea interplanetară.
Pentru a răspunde la aceste nevoi, strategia COMOTI este de a-și dezvolta (alinia cu nevoile specifice) infrastructura de cercetare-dezvoltare odată cu evoluția proiectelor aflate în implementare. Spre exemplu, în ultimul an au fost investite resurse semnificative pentru a realiza propria cameră curată necesară pentru asamblarea și testarea echipamentelor pentru industria spațială. Mecanismele mai sus menționate ce urmează să zboare în spațiu și să ajungă pe planeta Marte vor fi dezvoltate de COMOTI utilizând și această infrastructură.
Camera curată dezvoltată în cadrul institutului răspunde tuturor cerințelor riguroase ale standardelor ce guvernează industria spațială și este compusă, așa cum este exemplificat în Figura 1, dintr-o zonă „gri” – necontrolată din punct de vedere al gradului de contaminare și umidității, o zonă clasificată ISO 8 cu o suprafață de 60m2 și o zonă clasificată ISO 7 cu o suprafață de 40m2. Există pasaje separate de trecere pentru personalul ce lucrează în camera curată și pentru echipamentele sau produsele ce sunt introduse în interiorul ei, iar toate operațiile se execută după proceduri special definite în acest scop. Parametrii din interiorul camerei curate (număr de particule, temperatură, umiditate, presiune) sunt monitorizați în timp real și înregistrați prin intermediul unui software special, astfel încât să se poată extrage rapoarte din timpul operațiilor de asamblare sau testare.

Camera curată a fost gândită în așa fel încât să poată fi dezvoltată ulterior considerând strategia și nevoile COMOTI pentru produsele aflate în dezvoltare sau intenționează să le dezvolte în viitor, luând în considerare și nevoile altor entități din România și din această zonă a Europei. Astfel, în fazele ulterioare de dezvoltare, intenția este de a echipa incinta cu următoarele echipamente:
- echipament de tipul Thermal Vacuum Chamber - capabil să lucreze într-un interval extins de temperatură (-180°C - + 200 °C) - necesar pentru teste specifice mediului cosmic, în România neexistând astfel de echipamente;
- introducerea în cadrul zonei clasificate ISO 7 a unei incinte cu clasă de curățenie ISO 5. Această incintă va fi necesară în momentul în care vom atinge o maturitate tehnologică echivalentă cu „Qualification Model” pentru produse precum pompele centrifugale pentru sisteme termice active sau necesitatea asamblării unor echipamente optice foarte sensibile.
Un alt exemplu ce evidențiază deschiderea COMOTI de a dezvolta cu fonduri proprii facilități destinate domeniului spațial constă într-un stand de testare versatil pentru pompe centrifugale destinate sistemelor termice active necesare sateliților și navelor spațiale. Acest stand de testare este capabil să funcționeze cu mai multe fluide de lucru, să controleze temperatura acestor fluide de lucru (interval -60°C ÷ + 80 °C) și să monitorizeze în timp real numeroși parametri specifici acestor tipuri de echipamente. Pentru a putea testa în condiții similare cu cele de la nivelul sistemului, standul de testare cuprinde și un acumulator hidraulic sau o serie de vane capabile să coreleze debitul și presiunea de ieșire din pompă.

Pompele centrifugale pentru sisteme termice active sunt echipamente foarte provocatoare din punct de vedere al cerințelor tehnice, precum funcționarea continuă timp de 15 ani, iar COMOTI este una din entitățile din Europa care lucrează la a asigura independența Europei pentru aceste produse. Una din activitățile aflate în implementare referitor la acest subiect constă în definirea unei metodologii de proiectare, realizare și testare a unor componente specifice pompelor prin tehnologie aditivă. Pentru a putea dezvolta componente printate aditiv COMOTI a investit într-un echipament foarte performant ce utilizează tehnologia „Selective Laser Manufacturing”, fiind capabilă să realizeze componente din diferite aliaje.
COMOTI are în vedere să continue astfel de investiții și să contribuie din ce în ce mai mult la dezvoltarea ecosistemului spațial românesc cu rezultate concrete în diferite misiuni ale ESA sau în proiecte implementate de marile companii din Europa, precum Airbus Defence and Space, Thales Alenia Space sau OHB.

Fabricația aditivă din pulberi metalice, direcție de cercetare deavangardă pentru COMOTI
Fabricaţia aditivă este considerată o tehnologie emergentă şi disruptivă care alături de digitalizare a facilitat tranziţia către ultimele revoluţii industriale (Industria 4.0 şi Industria 5.0), oferind o nouă viziune în mediul industrial şi de cercetare pentru realizarea de produse inovative şi dezvoltarea de fabrici ale viitorului. Piese sau ansambluri cu forme geometrice complexe pot fi fabricate aditiv dintr-o singură bucată, fără a fi nevoie de îmbinări sau suduri, folosindu-se mai puţină materie primă şi energie şi având un impact mai scăzut asupra mediului în comparaţie cu tehnicile de fabricaţie convenţionale. În plus, trioul de avantaje privind utilizarea fabricării aditive - format din proiectarea fără limite (freedom design), simplificarea procesului de producţie şi reducerea costurilor de fabricaţie - deschide noi orizonturi şi facilitează tranziţia către o economie circulară.
În contextul creşterii competitivităţii României la nivel european prin reindustrializarea unor domenii de interes precum industria aeronautică şi spaţială, fabricaţia aditivă constituie un pilon strategic în cadrul INCDT COMOTI. Provocările ce vizează fabricaţia aditivă sunt, în principal, utilizarea de noi materiale avansate, îmbunătăţirea calităţii şi a preciziei dimensionale a pieselor printate, reducerea greutăţii componentelor şi optimizarea topologică a acestora, astfel încât să răspundă cerinţelor intransigente din domeniul aerospaţial.
În prezent, în cadrul Laboratorului de încercări fizico-mecanice, parte integrantă a departamentului C113LM Componente speciale turbomotoare din COMOTI, se desfăşoară următoarele activităţi de cercetare-dezvoltare privind fabricarea aditivă cu pulberi metalice: definire concept şi proiectare, inginerie inversă, optimizare topologică, fabricare aditivă prin fuziune pe pat de pulbere metalică prin topire cu laser (L-PBF – Laser Powder Bed Fusion), testare şi caracterizare materiale şi operaţii de post-procesare a pieselor fabricate aditiv. Echipamentul de fabricaţie aditivă, Lasertec 30 SLM, este dotat cu un laser cu fibră de Yterbiu cu o putere maximă de 600 W, având un spaţiu de lucru cu dimensiunile (Lxlxh) 300x 300 x 300 mm (Figura 1) şi integrat un sistem complet de reciclare şi reutilizare a pulberii utilizate în procesul de fabricaţie. În prezent, cu acest echipament pot fi realizate repere din superaliaje cu baza Ni (Inconel 625 sauInconel 718) şi din aliaj de titan (TiAl6V4), dar arecapabilităţi şi pentru alte materiale (aliaje de CoCr, Al, oțeluri inoxidabile, oțeluri de scule, etc.)
Pentru activităţile de proiectare, simulări numerice şi optimizare topologică sunt utilizate programe dedicate fabricării aditive şi simulării structurilor complexe de tipul structurilor celulare şi reticulare („lattice”). Laboratorul are în dotare echipamente şi dispozitive pentru caracterizarea pulberilor metalice utilizate în procesul de fabricaţie (densitatea aparentă, fluiditate, distribuţie dimensională şi sortarea pulberilor, morfologie şi compoziţie chimică). Materialele pot fi testate la diferite tipuri de încercări fizico-mecanice: încercări în regim static sau dinamic, la temperatura ambientală sau la temperaturi de până la 1100 °C, teste de impact (încercare de reziliență) la temperaturi ridicate şi negative, încercări de duritate/microduritate, teste de zgâriere, măsurători de rugozitate, densitate şi porozitate, precum şi determinări privind compoziţia chimică a aliajelor metalice. În vederea simulării comportamentului materialelor în condiţii extreme, în cadrul laboratorului pot fi realizate teste de oxidare ciclică şi izotermă la temparaturi de până la 1400°C, teste de şoc termic şi coroziune la temperaturi ridicate. Pentru caracterizarea comprehensivă a materialelor sunt efectuate investigaţii (macro-)microstructurale şi de microcompozitie utilizând microscopia optică şi microscopia electronică cu baleiaj. Pentru realizarea unui produs finit prin fabricaţie aditivă sunt necesare, după caz, mai multe operaţii de post-procesare ce pot fi realizate în cadrul COMOTI, şi-anume: tratamente termice de detensionare şi îmbătrânire în aer sau în atmosfera controlată, sablarea suprafeţelor, prelucrări prin electroeroziune cu fir şi/sau prelucrări prin aşchiere. Ciclul de fabricare aditivă a pieselor se încheie prin inspecţia macroscopică, controlul dimensional prin scanare 3D şi controlul nedistructiv al fisurilor şi porilor prin metoda lichidelor penetrante. Segmentul fabricaţiei aditive utilizând pulberi metalice a devenit un pilon important ultimii ani, fiind o direcţie de cercetare strategică a institutului care s-a materializat prin implementarea a zece proiecte de cercetare-dezvoltare (şapte finalizate şi trei în curs de desfăşurare), dintre care şase finanţate de Agenţia Spaţială Europeană. Un exemplu în acest sens este iniţiativa „Assessing the use of Advanced Manufacturing to improve and expand space hardware capabilities – EXPRO+”, unde COMOTI a avut rol de coordonare şi suport privind fabricaţia aditivă din pulberi metalice prin L-PBF în patru proiecte conduse de companii din România care au vizat fabricarea mai multor componete destinate aplicaţiilor spaţiale: model experimental de antenă pentru microsateliţi, rotor centrifugal închis, carcasa de pompă cu suport, şi roata volantă (Figura 2. a-c).