CC BY
34
Исследования далекого космоса
Олег Пенязьков,
директор Института тепло-и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси, член-корреспондент
Светлана
Данилова-Третьяк,
ученый секретарь Института тепло-и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси, кандидат технических наук
Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси представляет собой крупнейшее в республике научное учреждение, занимающееся разработкой энергоэффективных и экологически безопасных технологий и техники, аппаратов, приборов, материалов для различных целей, включая аэрокосмические приложения. Работы института по данной тематике начались с теоретического и экспериментального исследования процессов тепло- и массообмена в капиллярно-пористых средах, в том числе для разработки эффективной тепловой защиты космических аппаратов.
Инструментом для экспериментов в этом направлении является плазмотрон - электродуговой нагреватель газа. Первый коаксиальный плазмотрон был передан институту головной организацией ракетно-космической отрасли Советского Союза - Центральным научно-исследовательским институтом машиностроения. Вскоре сотрудники ИТМО приступили к разработке плазмотронов собственной конструкции для отработки более высоких параметров по теплозащите. Были созданы целые лаборатории, научная тематика которых была тесно связана с развитием авиационной и ракетно-космической техники, испытаны сотни различных композиций стекло-, асбо-, органо-, углепластиков, углерод-углеродных композиций, графитов, металлов, керамик и других материалов.
Объектами исследований являлись теплозащитные материалы спускаемых пилотируемых космических аппаратов, комплекса «Энергия-Буран» и других изделий космической и авиационной техники. Благодаря А.В. Лыкову увидело свет первое в Советском Союзе открытое издание книги «Тепловая защита» авторов Ю.В. Полежаева и Ф.Б. Юревича, в которой были представлены результаты исследований, проведенных в ИТМО. Эта книга и сегодня является учебным пособием для научных и инженерно-технических сотрудников, занимающихся вопросами тепловой защиты ракетно-космических изделий.
Институт обладает экспериментальной базой, которая позволяет осуществлять исследования процессов нагрева, абляции и термического разложения различных классов материалов, изучать их оптические, термопрочностные и тепло-физические свойства в широком диапазоне температур и тепловых потоков, химический состав и давление окружающей среды, скорости нагрева, моделировать натурные условия работы элементов тепловой защиты летательных аппаратов и ракетно-космической техники.
Значимые результаты получены еще в советские годы в ходе изучения радиа-ционно-конвективного теплообмена при гиперзвуковом обтекании осесимметрич-ных затупленных тел, создания новых типов и конструкций плазмотронов, решения
стационарных и нестационарных задач теплообмена при взаимодействии плазменных потоков с поверхностью аблирую-щих материалов, исследования кинетики многостадийных процессов термического разложения композиционных материалов и их тепловых свойств, изучение работоспособности и тепловой защиты стенок с транспирационным охлаждением для газофазного ядерного двигателя.
В последнее десятилетие аэрокосмическая отрасль приобрела новое дыхание. Для более глубокого освоения просторов Вселенной требуются эффективные образцы авиационной и космической техники. И сегодня ИТМО не остается в стороне от этой задачи.
В рамках научно-технической программы Союзного государства «Нанотехнология-СГ» на экспериментальной базе лаборатории плазменных технологий проведены испытания образцов теплозащитных композиций, совместно с НПО им. С.А. Лавочкина (Российская Федерация) создан и испытан новый материал с улучшенными свойствами. Работы продолжаются в части экспериментального определения скорости разрушения, эффективной энтальпии, прогрева теплозащитных материалов при интенсивных тепловых нагрузках в нестационарных и квазистационарных условиях дозвукового и сверхзвукового обтекания. Проводятся исследования абляции различных мате-
ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
риалов при одновременном воздействии плазменного потока и абразивных частиц А1203 и SiO2 и др., на базе лаборатории теплофизических измерений изучаются теплофизические свойства теплозащитных композитов.
Экспериментальная отработка тепловой защиты при моделировании натурных условий входа космического аппарата в атмосферы Земли и других планет в отделе плазменных аэрокосмических технологий осуществляется на мощном торцевом хол-ловском ускорителе, созданном в 70-е гг. прошлого столетия. Эффективные электромагнитные механизмы ускорения плазмы позволяют получать в ускорителе скорости истечения, значительно превосходящие скорости при обычном газодинамическом расширении в сопле, что обусловлено передачей импульса электромагнитного поля заряженным частицам плазмы.
Результаты исследований работоспособности новых перспективных теплозащитных материалов, проведенных на плазменных установках института, используются при прогнозировании и создании тепловой защиты для авиационной и космической техники.
Работы института, направленные на обеспечение потребностей аэрокосмической отрасли, не ограничиваются испытанием теплозащитных покрытий. Спектр исследований расширен и включает разработку систем терморегулирования, моделирование взаимодействия объектов и излучений с космическими аппаратами, технологии обработки оптических деталей и многое другое.
Еще в начале 1970-х гг. в лаборатории пористых сред были разработаны и испытаны в составе космических аппаратов тепловые трубы. Они применяются для отвода тепла от отдельных тепловыделяющих элементов и оборудования, выравнивания температуры в протяженных конструктивных элементах, поддержания температурного режима выделенного объекта с требуемой точностью, ограничения возвратного теплового потока и др. Одна из разработок - алюминиевые тепловые трубы с аксиальными канавками, предназначенные для выравнивания температуры корпуса искусственного спутника Земли «Интеркосмос-11». Дальнейшее их усовершенствование было связано с нанесением на поверхность канавок покрытий капиллярной пористой структуры, что обеспечило интенсивный теплоотвод с теплонагруженных поверхностей космических аппаратов.
Система контроля теплообмена и влагосодержания играет важную роль в разработке скафандров космонавтов. В качестве одного из основных способов решения этой задачи исследователи ИТМО организовали процесс тепло- и массообмена внутри аппарата по принципу работы микротепловых труб, что значительно упростило конструкцию теплообменника и существенно повысило его термодинамическую эффективность. Сублимационный теплообменник использован для создания костюма космонавта.
Специалисты лаборатории пористых сред разработали, изготовили и испытали экспериментальный образец системы
терморегулирования аппаратуры белорусского космического аппарата. В ходе работы были созданы термоэлементы, имитирующие условия орбитального полета космического аппарата, экспериментальный стенд на базе барокамеры для отработки методики тепловакуумных испытаний малогабаритных спутников и оптико-электронной аппаратуры космического назначения, рассчитаны циклограммы управляющих параметров системы имитации внешних тепловых нагрузок в барокамере, предложена принципиальная схема системы терморегулирования, обеспечивающая высокую термическую стабильность оптических приборов целевой аппаратуры и др. В планах лаборатории - создание для негерметичных микроспутников системы активного терморегулирования экспериментальных образцов микроэлектронных элементов и аппаратуры с повышенным ресурсом эксплуатации на основе наноструктур-ных пористых покрытий и сорбционных систем терморегулирования. Последние используют как солнечную энергию, так и энергию тепловыделяющих компонентов для поддержания необходимых тепловых режимов в негерметичных отсеках микроспутника, подвергающихся попеременно интенсивному солнечному нагреву и охлаждению.
Для отработки систем терморегулирования космических аппаратов негерметичного исполнения в условиях орбитального полета вокруг Земли в лаборатории теории переноса разработан универсальный программный комплекс, который
№8(114) Август 2012 НАУКА И ИННОВАЦИИ 11
передан в опытную эксплуатацию в ОАО «Пеленг». Построены расчетные алгоритмы определения внешних лучистых тепловых потоков к узлам космических аппаратов как для наружных поверхностей, так и для открытых полостей с учетом экранирования. С помощью данного программного продукта можно генерировать трехмерную геометрическую модель аппарата, определять разбивку ее на узлы и блоки, задавать теплофизические свойства расчетных элементов, параметры системы обеспечения теплового режима и бортового тепловыделяющего оборудования, параметры околоземной орбиты и ориентации на орбите, вычислять все необходимые параметры тепловой математической модели, а затем на ее основе рассчитывать нестационарный тепловой режим космического аппарата на орбите.
В связи с задачами освоения ближнего космоса с использованием микроспутников усилился интерес к лазерно-плаз-менным двигателям, обеспечивающим небольшие движущие импульсы, выверенные с большой точностью. Среди проблем их создания - разработка малогабаритной и эффективной лазерной системы, выбор оптимального режима лазерного воздействия, расходуемого материала и оптимальная схема построения двигателя. Параметры лазерного импульса и материал мишени с целью получения максимального удельного импульса отдачи могут быть определены на основе численного эксперимента без проведения дорогостоящих опытов. Он был проведен в лаборатории радиационной газовой динамики совместно с Институтом атомной и молекулярной физики НАН Беларуси.
В результате детально описаны механизмы уноса массы металлов, графита и композитных материалов в исследуемом диапазоне плотностей потоков лазерного излучения и предложены оптимальные режимы его воздействия на ряд материалов, обеспечивающие приемлемый ресурс работы лазерно-плазменного двигателя.
В рамках выполнения международного проекта исследованы процессы, сопровождающие высокоскоростной удар микрометеоритов по защитным экранам космических аппаратов. Практически единственный метод изучить эти явления - компьютерное моделирование. Анализ расчетных результатов позволяет оценить эффективность защиты космических аппаратов, определить форму и размеры образующихся кратеров и отверстий, исследовать фазовый состав продуктов разрушения.
В лаборатории реофизики и макрокинетики впервые была разработана технология высококачественной обработки оптических и полупроводниковых деталей, основанная на локальном управляемом съеме материала с поверхности при помощи магнитореологической полировальной жидкости под воздействием магнитного поля. Эта технология применима для деталей любой формы. При такой финишной обработке поверхностей лазерных зеркал среднеквадратичная шероховатость подложек уменьшается в 4 раза, а характеристика рассеяния на нанорельефе улучшается в 16-19 раз по сравнению с традиционными методами. В ИТМО создана установка для финишного полирования сферических, плоских и асферических оптических деталей диаметром до
200 мм. Получаемая поверхность может достигать величины А/100, а ее качество -0,2 ■ 1,0 нм. Высокоточные оптические изделия применяются в космических телескопах (крупногабаритные параболические зеркала), авиационных лазерных гироскопах, ракетных и авиационных приборах наведения, радарах и др.
Для изготовления деталей авиационной и космической техники требуются новые материалы, одним из которых является карбид кремния (SiC), обладающий рядом уникальных физико-химических, механических и электротехнических свойств. Для него характерна очень высокая износостойкость и термостойкость в жестких условиях абразивного изнашивания и повышенных температур, обеспечиваемая сочетанием высокой твердости и теплопроводности, а также низкого коэффициента термического расширения. Он способен выдерживать десятки термоударов до 1000-1300 °С и применяется при производстве зеркал телескопов, деталей двигателей, в качестве защитного покрытия трущихся поверхностей, в авиационной промышленности.
В лаборатории дисперсных систем Института тепло- и массообмена разрабатывается технология синтеза карбида кремния в реакторе электротермического кипящего слоя, в котором для достижения высоких температур (1400-1800 °С) нагрев мелкозернистого электропроводного материала осуществляется непосредственным пропусканием через него электрического тока. Результаты исследований показали высокий выход карбида кремния в качестве конечного продукта (до 80%) и значительное сокращение продолжительности процесса (до нескольких часов).
Таким образом Институт тепло- и массообмена имеет богатый арсенал разработок в области аэрокосмических технологий. Однако необъятные космические просторы определяют для него новые перспективы в этой области. ■
P.S. Авторы статьи выражают благодарность чл.-корр. В.А. Бородуле, д.т.н. Л.Л. Васильеву, Е.В. Коробко, к.т.н. М.С. Третьяку, к.ф.-м.н. Ю.А. Станкевичу, А.И. Шнипу, В.С. Ермаченко.
