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
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.
