Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН уже многие годы ведет исследования в области аэродинамики сверхзвуковых скоростей. Их результаты будут использованы конструкторами при создании ряда перспективных космических аппаратов. 
 
4 октября 2020 года исполнилось 63 года с момента запуска СССР первого в мире искусственного спутника Земли ПС-1, появление которого ознаменовало начало космической эры человечества. Это событие было бы невозможным без деятельности академика Сергея Павловича Королёва. Именно он спроектировал межконтинентальную баллистическую ракету Р-7, чтобы вывести первые спутники на орбиту. Значительный вклад в развитие ракетно-космической техники в нашей стране внесли и ученые новосибирского Академгородка. Одним из них был сотрудник Института теоретической и прикладной механики СО АН лауреат Ленинской премии, член-корреспондент РАН Николай Алексеевич Желтухин, более 16 лет работавший в ОКБ-456 под руководством Валентина Петровича Глушко. В начальный период работы в ИТПМ он участвовал в разработке научных основ парогазовых установок и создании аэродинамических труб, а несколько позже под его руководством были проведены исследования по изучению структуры течения и причин возникновения сильных пульсаций давления, выявленных при летных испытаниях сверхмощной лунной ракеты Н-1. 
 
Научные изыскания в области аэрогазодинамики, связанные в том числе со струйными и нестационарными течениями, стали активно проводиться в ИТПМ после назначения в 1966 году академика Владимира Васильевича Струминского на должность директора института. Работы были направлены на изучение процесса возникновения интенсивных пульсаций течения при взаимодействии сверхзвуковых струйных потоков с преградами и отвечали потребностям ракетостроителей, а также вопросам развития космической техники. 
 
Сложность исследований в этой сфере заключается в многообразии фундаментальных проблем, которые необходимо решить. Сюда относятся вопросы гидродинамической неустойчивости сверхзвуковых течений, ударно-волновой структуры неизобарических струй, возникновения автоколебаний и многое другое. 
 
Как отмечает главный научный сотрудник лаборатории экспериментальной аэрогазодинамики ИТПМ СО РАН профессор, доктор технических наук Валерий Иванович Запрягаев, работы ведутся прежде всего с целью получения информации о силовых и тепловых аэродинамических нагрузках на элементы конструкции ракетно-космического аппарата. Еще одной задачей является определение уровня и спектрального состава пульсаций давления для обеспечения безопасности полета. Несмотря на то, что процесс старта длится всего несколько секунд, на начальном этапе развития техники он нередко сопровождался серьезными повреждениями как пускового сооружения, так и самих летательных аппаратов. 
 
Сверхзвуковая струя во внешней среде 
   Сверхзвуковая струя во внешней среде
 
 
Сверхзвуковые струйные течения изучаются в ИТПМ СО РАН в рамках программы создания возвращаемых космических аппаратов с применением тормозных двигательных установок, обеспечивающих их мягкую посадку. Задача ученых состоит в исследовании структуры течения между посадочной поверхностью и днищем аппарата, а также оценке воздействующих на него сил и уровней пульсации давления. Одной из современных отечественных разработок в этой области является перспективный транспортный корабль нового поколения (ППТК НП). Он проектируется для замены знаменитого «Союза» и обладает по сравнению с ним рядом преимуществ: большими размерами, способностью доставлять экипаж до четырех человек, а также возможностью более точного определения места приземления. 
 
Для проведения экспериментов в институте созданы специальные струйные стенды. Они оборудованы системами визуализации и автоматизированного сбора данных, координатными устройствами. «Из баллонов газ поступает по трубам в форкамеру, проходит через сопло Лаваля и ускоряется до сверхзвуковой скорости», — рассказывает В. И. Запрягаев. Структура течения сверхзвуковых струй определяется большим количеством геометрических и газодинамических параметров. Проводится измерение газодинамических параметров потока с помощью системы автоматизированного сбора данных, затем результаты сравниваются с показателями расчетов и после анализа передаются конструкторам. Следует отметить особую актуальность получения достоверных экспериментальных данных (тестовых случаев), необходимость в которых появилась с развитием численных методов исследования высокоскоростных течений сложных конфигураций. 
 
Важное направление, «Вычислительная высотная аэродинамика», развивается в лаборатории ИТПМ СО РАН под руководством кандидата физико-математических наук Евгения Александровича Бондаря. Оно направлено на разработку и усовершенствование физико-химических моделей горячего излучающего разреженного газа, а также на изучение его взаимодействия с поверхностью космического аппарата. Эти модели должны существенно улучшить расчеты и обеспечить надежные данные для условий входа летательных средств в атмосферу на очень больших скоростях при возвращении с Луны и планет Солнечной системы. В настоящий момент на их основе разрабатываются программные пакеты нового поколения. Они предназначены для массивных параллельных вычислений на современных суперкомпьютерах с гибридной архитектурой, например основанных одновременно на центральных и графических процессорах. Научные сотрудники института поддерживают связь с рядом других научных и промышленных организаций в рамках крупного проекта Фонда перспективных исследований, учрежденного правительством Российской Федерации. 
 
Благодаря работе, проведенной институтом, удалось получить данные о газодинамической структуре свободных сверхзвуковых неизобарических струй и струй, взаимодействующих с посадочной поверхностью. Результаты деятельности ученых используются конструкторами при создании ряда перспективных возвращаемых пилотируемых космических аппаратов, одним из которых является «Орёл». 
 
В заключение можно сказать, что аэрогазодинамика — это важное направление научной деятельности, напрямую связанное с изучением ударно-волновой структуры сверхзвуковых течений, а также с проектированием, изготовлением и эксплуатацией высокоскоростных летательных аппаратов. 
 
Автор: Дмитрий Медведев, студент отделения журналистики ГИ НГУ
 
Фото предоставлено Валерием Запрягаевым.​ 

Источники

Сибирские ученые исследуют сверхзвуковые струйные течения
Наука в Сибири (sbras.info), 26/04/2021

Похожие новости

  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    3579
  • 16/04/2021

    Разработки самого высокого полета

     Каждый восьмой грант, получаемый учеными региона, посвящен аэрокосмическим исследованиям. Новосибирские ученые вносят большой вклад в освоение космоса: тренажер для стыковки космических аппаратов, технология для изготовления солнечных батарей на орбите и на Луне, катализаторы орто-пара-конверсии водорода, аэродинамические исследования перспективного российского многоразового космического корабля «Орел» — вот далеко не полный перечень разработок, рожденных в Сибири.
    593
  • 19/02/2021

    В Новосибирске разрабатывается уникальная летающая платформа для условий Крайнего Севера

    ​Прошедший в Новосибирске 16-17 февраля Форум «Кооперация науки и производства» оказался насыщенным не только свободными дискуссиями, но и демонстрацией перспективных разработок.   Одну такую разработку, крайне актуальную для нашей страны, представил генеральный директор ООО «Моторостроительная компания ЗК-Мотор» Игорь Ким.
    733
  • 15/04/2021

    Космос, мусор, монитор

     Сотрудники Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН моделируют процессы, которые происходят при высокоскоростном столкновении частиц техногенного космического мусора с элементами космических аппаратов.
    456
  • 20/04/2021

    «Экран ФЭП»: экологичная конкуренция, сотрудничество с государством и симбиоз с наукой

    Новосибирск занимает уникальное место на карте мирового рынка электронно-оптических преобразователей (ЭОП), применяемых в приборах ночного видения. Здесь сосредоточены три из четырех российских (а это примерно половина всех мировых) предприятий, выпускающих эти устройства.
    358
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    1532
  • 10/04/2019

    Космический корабль нового поколения проектируют в Новосибирске

    ​Новосибирские ученые разрабатывают элементы нового космического корабля «Федерация». Он придет на смену привычным со времен Валентины Терешковой «Союзам». В Академгородке рассчитывают динамические и тепловые нагрузки на аппарат, чтобы космонавты не сгорели при температуре три тысячи градусов.
    1313
  • 29/03/2021

    Российская наука, американский бизнес, китайская клиника

    Нейтронный источник для бор-нейтронозахватной терапии рака разработали ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН в сотрудничестве с американской компанией TAE Life Sciences.
    318
  • 22/04/2021

    «Машина времени»: модернизированная установка позволит заглянуть в прошлое на миллионы лет

    Ускорительная масс-спектрометрия (УМС) – сверхчувствительный метод изотопного анализа, при котором производится тщательная селекция атомов вещества с подсчётом интересующих нас изотопов. Метод позволяет с высокой точностью датировать археологические находки и геологические породы, изучать состав атмосферы и ткани живых организмов разных исторических периодов.
    574
  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    4590