ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН
за 2000 год по комплексной программе
"Фундаментальные космические исследования"

На основе разработанных программных систем для высотной аэродинамики выполнены многопараметрические расчеты аэродинамических характеристик космической станции МИР на орбитальной стадии полета и вдоль траектории спуска (в переходном режиме течения 200 - 120 км). Предложен ряд конфигураций станции (положения солнечных батарей), обладающих малыми возмущающими моментами и большим аэродинамическим сопротивлением.

Полученные результаты по аэродинамике станции МИР в диапазоне высот от 350 до 120 км используются в настоящее время в РКК "Энергия" для разработки сценария контролируемого спуска станции Мир с орбиты и ее последующего затопления.


Аннотация

Для предстоящего затопления станции МИР будет осуществлен ее контролируемый спуск с орбиты. На орбитальной стадии полета будет выдан предварительный тормозной импульс, который переведет станцию на траекторию снижения (несколько витков вокруг Земли с уменьшением высоты вдоль траектории полета). На определенной высоте будет выдан основной тормозной импульс, который переведет станцию на траекторию спуска с гарантируемым затоплением в заданном районе Мирового Океана. Вдоль траектории снижения необходимо поддерживать фиксированное положение станции, которое обеспечивается двигателями ориентации. Выбор конфигурации (положения солнечных батарей) станции обеспечивающей максимальное сопротивление и минимальный возмущающий момент позволит сократить расход топлива на ориентацию, ускорить снижение и сохранить топливо для основного тормозного импульса.


Предварительный анализ поведения аэродинамических характеристик станции МИР был проведен на основе приближенного метода локального взаимодействия. На этом этапе, был определен ряд оптимальных конфигураций станции. Далее детальный анализ аэродинамики этих конфигураций был выполнен в свободномолекулярном режиме полета (высота > 200 км) на основе "Статистического метода пробных частиц" и в переходном режиме (высота 120 - 200 км) с использованием "Метода прямого статистического моделирования".

Эти численные исследования позволили определить ряд конфигураций обладающих существенно меньшим по сравнению с орбитальной конфигурацией возмущающим аэродинамическим моментом (~50-100 раз). Рекомендованные к использованию конфигурации станции МИР являются статически устойчивыми и обладают большим аэродинамическим сопротивлением. Также существенным является тот факт, что аэродинамические характеристики этих конфигураций, как показали расчеты аэродинамики станции МИР в переход режиме течения, слабо изменяются с уменьшением высоты полета вдоль траектории спуска.


ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН
за 2000 год по комплексной программе "Механика жидкости и газа"

1. Впервые выполнено детальное комплексное исследование физики тлеюшего разряда с большой плотностью тока и его воздействие на газодинамическую картину обтекания тел сверхзвуковым и гиперзвуковым потоками газа. Установлено, что существенное влияние на течение газа оказывает прикатодная область разряда, где происходят основные изменения. Снижение сопротивления тупых тел вращения зависит от мощности разряда и чисел Маха набегающего потока и носит тепловой характер.

(Институт теоретической и прикладной механики СО РАН).


Аннотация

Впервые выполнено детальное комплексное исследование физики тлеющего разряда с большой плотностью тока и его воздействия на газодинамику обтекания тел сверхзвуковыми и гиперзвуковыми потоками газа. Изучено влияние параметров набегающего потока, мощности разряда и геометрии электродов на пространственно-энергетические характеристики разряда. Впервые получены поля электрического потенциала и температуры торможения в прикатодной области разряда. Установлено, что практически все падение напряжения, имеющего место в прикатодной области, происходит в тонком катодном слое, тогда как скачок температуры имеет место в зоне, размер которой значительно превосходит толщину катодного слоя. На основании полученных результатов были определены основные параметры плазмы разряда.

Установлено, что тлеющий разряд вызывает диссипацию прямого скачка уплотнения при обтекании затупленных тел, а плазма прикатодной области ведет себя, подобно виртуальному телу, на периферии которой возникают косые скачки уплотнения (рис.1).

Измерение давления на фронтальной поверхности тупых тел вращения показало его существенное снижение (до 6 раз), которое увеличивается с ростом мощности разряда. Установлено, что при одной и той же мощности разряда снижение давления более значительно при меньших числах Маха (рис.2). Проведенные теоретические оценки показали, что воздействие объемного тлеющего разряда на сверхзвуковое обтекание тел имеет тепловой характер.


Рис. 1. Обтекание тела без разряда (А) и с разрядом (Б) сверхзвуковым потоком газа М=3,2


Рис. 2. Зависимость давления на фронтальной поверхности тела от относительной мощности разряда, статического давления набегающего потока и его числа Маха

2. Создан метод исследования биологических тканей на основе лазерноиндуцированной флуоресценции, возбуждаемой излучением импульсного ультрафиолетового лазера, позволяющий производить оценку состояния ткани в режиме реального времени.


Аннотация

Разработана методика исследования состояния биотканей и ее патологических изменений методом ЛИФ (лазерно-индуцированной флуоресценции).

Исследовались кальцинированные ткани клапана сердца. Установлено, что поражение ткани кальцинозом приводит к существенной перестройке спектрального состава люминесценции, и что в изменение спектров ЛИФ существенный вклад вносит минеральная компонента. Разница в значениях отношения интенсивности характеристической полосы ЛИФ на длинах волн, относящихся к минеральной компоненте (гидроксилаппатиту) и аминокислоте (триптофану) для здоровых и пораженных кальцинозом тканей составляет 3-4 раза (рис. 1, 2). Это обстоятельство открывает перспективу применения ЛИФ для диагностики степени поражения кальцинозом при проведении кардиохирургических операций на открытом сердце. Кроме этого, появление в спектре ЛИФ полос люминесценции, относящихся к гидроксилаппатиту, позволит обнаружить фрагментированные кальцинированные ткани.

Исследовались резицированные ткани животного с разной степенью старения после физической смерти. В ходе предварительных экспериментов установлено, что в спектрах ЛИФ происходит изменение отношения интенсивностей флуоресценции на длинах волн 375 и 450 нм к интенсивности на длине волны 330 нм (рис. 3), что, возможно, позволит проводить оперативный контроль состояния трансплантанта.


Рис.1. Здоровые ткани (1- мышца сердца, 2- аорта, 3- клапан)


Рис.2. Кальцинированные ткани (1- минералы из клапана, 2- фиброзная ткань с калцинозом типа "пропитывания")


Рис.3. Внешняя стенка аорты (1- в первый день после резекции, 2- на 15-й день хранения)

3. Экспериментально и численно на основе уравнений Эйлера исследовано обтекание и аэродинамические характеристики новой интегральной конфигурации гиперзвукового летательного аппарата, которая позволяет наиболее полно реализовать предложенный в ИТПМ СО РАН принцип конвергентного сжатия всей сверхзвуковой струи, захватываемой воздухозаборником. Выявлены особенности обтекания воздухозаборника данной конфигурации, связанные с формированием сложных структур трехмерных скачков уплотнения и отрывов пограничного слоя. Проведенные сравнения эквивалентных аэродинамических конфигураций летательных аппаратов с конвергентным и плоским воздухозаборниками при числах Маха полета от 4 до 6 показали преимущество первой по расходным характеристикам.

Результаты исследований представляют интерес для создания гиперзвуковых воздушно-реактивных летательных аппаратов.

(Институт теоретической и прикладной механики СО РАН).


Аннотация

Развитие аэрокосмической техники в мире в конце 20 - начале 21 века связано с перспективами создания высокоскоростных воздушнореактивных летательных аппаратов. Это развитие возможно при решении новых фундаментальных, как чисто научных, так и научно-технических проблем современной аэромеханики. К этой проблеме относится, в частности, поиск новых конфигураций, обеспечивающих как высокую аэродинамическую эффективность, так и высокую эффективность воздухозаборника-двигателя в системе летательного аппарата. Перспективным направлением здесь является развитое в ИТПМ газодинамическое конструирование трехмерных воздухозаборников нового типа - конвергентных. Конвергентное сжатие захватываемой воздухозаборником сверхзвуковой струи по сходящимся в пространстве направлениям обеспечивает, в частности, компактную, близкую к круговой, форму поперечного сечения внутреннего канала, что может облегчить теплозащиту гиперзвуковых двигателей.

В рамках данного подхода впервые разработана и испытана в аэродинамической трубе модель гиперзвукового летательного аппарата с протоком воздушно-реактивного двигателя, реализующая принцип конвергентного сжатия всей захватываемой воздухозаборником струи. Проведены численные и экспериментальные исследования особенностей газодинамики этой конфигурации в сопоставлении с "традиционной" с плоским воздухозаборником, расположенным под плоской носовой поверхностью сжатия несущего корпуса.

По результатам численных и экспериментальных исследований определены режимы обтекания воздухозаборника со сложными структурами трехмерных скачков уплотнения и индуцируемыми ими косыми, поперечными и комбинированными поперечнокосыми отрывами пограничного слоя (рис.1). Сопоставление результатов, полученных для конфигураций с конвергентным и плоским воздухозаборниками, показало, что, несмотря на их аэродинамическую эквивалентность, обтекание новой конфигурации является существенно более трехмерным и она обладает более высокими значениями коэффициента расхода (на ~ 17% при М = 4 и ~ 8% М = 6). Для конвергентной конфигурации определены условия запуска воздухозаборника при М = 4 в зависимости от относительной площади поперечного сечения горла и в зависимости от числа Маха набегающего потока в диапазоне М = 2-6 при фиксированной относительной площади горла (рис.2). Для обеих конфигураций исследованы эффекты влияния слива пограничного перед воздухозаборником, ограничения бокового растекания на клине внешнего сжатия с помощью различных щек и затупления носовой части аппарата на суммарные аэродинамические характеристики конфигурации в целом. Получено, что ограничение бокового растекания для конвергентной схемы, в отличие от конфигурации с плоским воздухозаборником, приводит к существенному изменению структуры течения на входе в воздухозаборник, и при этом возможно ограничение диапазона режимов обтекания с его запуском. Слив пограничного слоя на режимах обтекания с запуском для такой конфигурации малоэффективен, но он существенно улучшает условия запуска воздухозаборника.


Рис. 1. Саже-масляная визуализация на поверхности сжатия воздухозаборника и распределение давления в плоскости симметрии

Рис. 2. Расходные характеристики конвергентного воздухозаборника

В результате проведенных исследований получены новые сведения о аэродинамике конвергентной и традиционной гиперзвуковых конфигураций, о газодинамике собственно гиперзвуковых воздухозаборников, плоского или конвергентного. Полученные экспериментальные данные пригодны для верификации методов аэродинамического проектирования, расчета и определения характеристик гиперзвуковых воздухозаборников. Результаты исследований представляют интерес для разработок гиперзвуковых воздушно-реактивных летательных аппаратов.

4. На основе экспериментального и численного моделирования процессов перехода между регулярным и маховским отражением сильных ударных волн в стационарных сверхзвуковых течениях показано существование явления гистерезиса. При этом прямой и обратный переходы происходят при различных углах падения ударной волны, что полностью соответствует теории отражения ударных волн. Однако проведенные в аэродинамических трубах Т-313 и Т-326 исследования показали, что переход к маховскому отражению существенно зависит от уровня случайных возмущений в потоке. В трубе с закрытой рабочей частью (Т-313), где уровень акустических возмущений достаточно высок, прямой и обратный переходы происходят при углах, близких к критерию Неймана. Результаты, полученные в трубе с камерой Эйфеля (Т-326), обеспечивающей более низкий уровень возмущений, подтвердили существование гистерезиса, хотя различие углов прямого и обратного переходов заметно меньше, чем предсказано теорией. Установлено, что трехмерные эффекты и уровень возмущений в рабочей части аэродинамических установок оказывают значительное влияние на регулярную и маховскую ударноволновую конфигурацию, что существенно при конструировании воздухозаборников воздушно-космических самолетов будущего.

(Институт теоретической и прикладной механики СО РАН).


Аннотация

Проведены детальные экспериментальные и численные исследования процессов перехода между регулярным и маховским отражением при сверхзвуковом (М=4, 5, 6) обтекании двух симметричных клиньев как в двумерной, так и в трехмерной постановках. Показано, что трехмерные эффекты оказывают значительное влияние на регулярную и маховскую ударноволновые конфигурации.

Показано, что высота ножки Маха изменяется немонотонно по размаху клиньев. В частности обнаружено, что вызванное концевыми эффектами искривление падающих ударных волн приводит к формированию периферийного маховского отражения даже тогда, когда вблизи центральной плоскости отражение регулярное. Обнаружено явление гистерезиса, имеющее принципиальное значение для формулировки правильных критериев смены двух типов отражения ударных волн. Прямой переход от регулярного отражения к маховскому происходит при угле падающей ударной волны, соответствующем критерию максимального отклонения потока, а обратный переход - при существенно меньшем угле, близком к критерию Неймана. Изучено влияние на переход трехмерности течения и числа Маха.

Проведенные исследования в аэродинамической трубе Т-313 с прямоугольной рабочей частью показали, что переход от регулярного к маховскому отражению происходит вблизи критерия Неймана, т.е. маховская конфигурация возникает сразу, как только становится теоретически возможной. Существующие теоретические результаты показывают, что регулярное отражение устойчиво лишь к возмущениям бесконечно малой амплитуды. Поэтому для углов падающей ударной волны, при которых теоретически возможны обе ударноволновые конфигурации, можно предположить, что как только уровень возмущений набегающего потока превосходит некий пороговый уровень, регулярная конфигурация ударных волн переходит в маховскую, что и наблюдается в трубе Т-313.


Рис. Регулярное и маховское отражение ударных волн при М=4 и угле падения 38°.

Эксперименты, проведенные в трубе Т-326 с круглым соплом и камерой Эйфеля позволили получить регулярное отражение при углах, заметно превышающих критерий Неймана. Повидимому, основной причиной этого является тот факт, что труба Т-326 имеет более низкий по сравнению с Т-313 уровень акустических возмущений потока в рабочей части. Таким образом, при проведении экспериментальных исследований по процессу перехода между регулярным и маховским отражением необходимо учитывать уровень турбулентных пульсаций в рабочих частях аэродинамических установок.

5. Разработан метод экспериментального исследования восприимчивости, позволяющий определять значения коэффициентов преобразования внешних возмущений в неустойчивые колебания сверхзвукового пограничного слоя. Получение численных значений коэффициентов воприимчивости позволит в конечном итоге предсказывать положение ламинарно-турбулентного перехода в пограничных слоях летательных аппаратов.

(Институт теоретической и прикладной механики СО РАН).


Аннотация

С использованием разработанного метода впервые выполнены систематические экспериментальные исследования восприимчивости сверхзвукового пограничного слоя для различных чисел Маха и в окрестности острой и затупленной передней кромки пластины. По данным экспериментов проведено количественное сравнение уровней начальных акустических возмущений в свободном потоке и возбуждаемых ими собственных колебаний сверхзвукового пограничного слоя. Получены коэффициенты преобразования внешних контролируемых акустических возмущений в собственные колебания сверхзвукового пограничного слоя. Обнаружено, что возбуждение возмущений в пограничном слое внешними возмущениями при M=3,5 происходит более интенсивно, чем при M=2, а коэффициенты преобразования для наклонных волн больше, чем для двумерных. Определено, что возбуждение собственных возмущений внешней акустикой происходит значительно сильнее в пограничном слое пластины с притупленной передней кромкой, чем с острой передней кромкой. Имеется качественное соответствие теоретических и экспериментальных данных. Данный метод исследования восприимчивости пограничного слоя в настоящее время получил применение и при гиперзвуковых скоростях обтекания тел.


схема эксперимента


6. Впервые на модели полного двухрежимного прямоточного двигателя со сверхзвуковой скоростью в камере сгорания (ГПВРД), работающего на жидком углеводородном топливе, получена эффективная тяга при числах Маха 5 и 6 при испытаниях в установке кратковременного действия.

(Институт теоретической и прикладной механики СО РАН).


Аннотация

Комплексные исследования полной модели ГПВРД были проведены в трубах ИТПМ СО РАН: Т-313 (без топлива) и испытания с горением в ИТ-302М. В качестве топлива использовался керосин. При этом не проводилась специальная подготовка керосина (подогрев, газификация). Для проведения испытаний разработана быстродействующая система измерений, состоящая из 144 каналов. Эта система включала измерения распределения полного и статического давлений и тепловых потоков, измерения расхода воздуха и топлива, сил действующих на модель и определение полноты сгорания оптическими методами. По-видимому, впервые в короткой камере сгорания полной модели двигателя было обеспечено устойчивое горение жидкого керосина при сверхзвуковой скорости на входе в камеру сгорания и получена эффективная тяга (разность между внутренней тягой двигателя и внешним сопротивлением модели), замеренная с помощью весов (см. рисунок).


Зависимость коэффициента сопротивления (тяги) модели ГПВРД от времени в экспериментах с горением керосина и без горения.

Из приведенного рисунка можно видеть, что было обеспечено устойчивое горение топлива и получена тяга в течение 30-50мс. Этот результат получен на исследовательской модели с толстыми стенками, которые использовались для установки боковых стекол, датчиков давления и тепловых потоков. Выбрана эффективная система воспламенения керосина и показано, что можно проводить оптимизацию рабочих параметров ГПВРД при длительности процесса до 100 мс. Показано, что при испытаниях в импульсной АДТ обеспечивается квазистационарный режим работы двигателя. Длительность режима работа трубы достаточна для исследования процессов воспламенения различных топлив (включая жидкие углеводороды) и оптимизации процессов в ГПВРД.


ВАЖНЕЙШИЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Института теоретической и прикладной механики СО РАН
за 2000 год по комплексной программе "Проблемы машиностроения"

Впервые проведено экспериментальное исследование влияния малых добавок ультрадисперсных частиц тугоплавких соединений на свойства плазменных порошковых покрытий. Показано, что добавка ультрадисперсного порошка карбида кремния с размером частиц меньше 0,1 мкм в напыляемый порошок алюминиевой бронзы в количестве 0,05% по массе с последующей механохимической обработкой полученной смеси в центробежной планетарной мельнице позволяет значительно повысить прочность соединения покрытия с подложкой и уменьшить ее остаточную пористость.

(Институт теоретической и прикладной механики СО РАН).


Аннотация

Известно, что основными функциональными характеристиками газотермических, в том числе плазменных, порошковых покрытий, являются их адгезия, пористость, структура и фазовый состав. Существующие в настоящее время методы плазменного напыления не обеспечивают требуемого качества порошковых покрытий из-за высокой пористости и малой адгезии. Учитывая опыт развиваемого в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН способа объемного упрочнения литого металла с помощью ультрадисперсных порошков, нами были проведены экспериментальные исследования влияния тугоплавких наночастиц на качество порошковых покрытий, получаемых плазменным напылением.


Рис. 1. Структура поперечных сечений покрытий: а) - без добавки УДП, б) - с добавкой УДП.

С этой целью подготавливалась композиция из напыляемого порошка алюминиевой бронзы с ультрадисперсным порошком карбида кремния, добавляемого в количестве 0,05% по массе. Эта смесь далее подвергалась специальной обработке в центробежной планетарной мельнице (Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН), а затем через дозатор вводилась в плазменную струю. В качестве подложки использовались подложки из алюминий-цинкового сплава. Проведенный анализ полученных, при прочих равных условиях, контрольных и опытных образцов показал значительное отличие внутренней макроструктуры покрытий. Если в первом (рис. а) наблюдались не полностью расплавившиеся частицы порошка и довольно грубые соединения по границам раздела сплэтов (растекшихся и затвердевших микрочастиц), то во втором (рис. б) такие частицы отсутствовали, а структура отличалась большей монолитностью и чистотой границ сплэтов. При этом значительно увеличилась прочность соединения покрытия с подложкой. Так, например, в контрольных образцах с покрытиями, напыленных немодифицированным порошком алюминиевой бронзы, зачастую имело место отслоение покрытий либо в процессе подготовки образцов для получения шлифа (резка, шлифовка), либо после такой обработки, тогда как в опытных образцах этого не наблюдалось.

Создан плазмотрон-реактор, состоящий из системы двух плазматронов: первый нагревает стенки реактора, а второй - исходное сырье и создает гарниссажный слой. Реактор используется для диссоциации дисульфида молибдена. Экспериментально показано, что по данной технологии можно выделить металл - Mo с процентным содержанием серы < 0,01% без потерь таких важных элементов, как осмий и рений, содержащихся в исходном сырье. Энергозатраты плазменной технологии составили (7-10) кВт.час на килограмм сырья.

(Институт теоретической и прикладной механики СО РАН).


Аннотация

Исследования плазмохимического разложения МоS2 по схеме прямоточного реактора с гарниссажным слоем, проведенные в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН, показали принципиальную возможность полной диссоциации дисульфида молибдена с сохранением в конечном продукте (металлический Мо с содержанием S < 0,01 %) очень дорогостоящих компонентов - рения и осмия. Переработке подвергался обогащенное минеральное сырье сложного состава. Энергозатраты составили (7-10) кВтЧ*час/кг, что существенно ниже известных результатов (зарубежных) по данному процессу, где, к тому же, не удавалось получить конечный продукт с содержанием серы ниже 8%. Разложение молибденита идет в две стадии. Установлено, что стадия перехода Мо2S3 -> 2Мо + 3S происходит при строго постоянной температуре 1800oС и не позволяет повысить температуру стенки реактора потоком плазмы. В результате этого конечный продукт получается в виде слитков (наплывов) на стенках реактора и нет возможности вести непрерывный процесс: требуется изменение энергетического режима установки с целью исключить обратные реакции и выделить шлак (Аl2O3, SiO2, Fe2O3...).

В реакторе типа "циклона" (см. рис.) основной плазмотрон (1) нагревает потоком азотной плазмы стенки реактора (2) с внешней стороны. Поток плазмы вводится тангенциально и попадает во внутреннюю полость в закрученном состоянии. Вспомогательным плазмотроном (3) сырье нагревается до температуры ~ 1000oС (первая стадия диссоциации) и вводится в реактор также тангенциально, что обеспечивает организацию гарниссажного слоя (4), защиту графитовой поверхности реактора от абразивного износа.


В данной схеме температура стенки реактора доводится до температуры плавления Мо (~ 2600oС) и чистый продукт сливается в приемную емкость (5), где образует слиток без включений шлака, а диаметрально противоположный выхлоп отходящих газов и серы исключает возможность обратных реакций.

Экспериментально изучены различные температурные состояния реактора на диссоциацию молибденита, геометрические размеры реактора, общей теплоизоляции, что позволило получить данные для масштабирования установки и надежного конструирования промышленного образца.