CC BY
27
<
и
о
и
о
В сфере космических исследований Беларусь известна не только
именами космонавтов П.И. Климука, В.В. Коваленка и О.В. Новицкого, но и достижениями ученых. Еще задолго до их полетов физики, математики, электронщики, приборостроители, программисты создавали предпосылки для изучения и освоения космоса, участвовали в реализации многих космических программ СССР. Для этих целей в стране строились заводы, создавались научные и конструкторские организации, специализированные производства, приобреталось, разрабатывалось и изготавливалось оборудование, внедрялись новые технологии, проводились испытания космической техники и, что самое ценное, формировались коллективы высококвалифицированных ученых, инженеров, рабочих. Благодаря их усилиям мы имеем уникальные спутниковые системы дистанционного зондирования Земли и околоземного пространства в различных спектральных диапазонах оптического излучения, сложнейшие оптоэлектронные и радиотехнические системы траекторных установок для космической геодезии, аппаратно-программные системы и комплексы обработки всех видов изображений, полученных из космоса, испытательное оборудование, новую микроэлектронную базу для космического приборостроения и пр. На многих искусственных спутниках Земли и обитаемых орбитальных станциях функционирует аппаратура, разработанная и изготовленная в Беларуси. Ею оснащены полигоны, морские станции слежения, центры обработки информации.
Страна, пройдя трудности становления суверенитета, закрепила свое присутствие в комической сфере запуском собственного спутника дистанционного зондирования Земли. У науки, вернее у многих научных дисциплин, появились новые направления исследований, технологии, приборы, системы и агрегаты.
На современном этапе космическая деятельность Беларуси является важным фактором, определяющим ее статус как страны высоких технологий, а также относится к категории высших государственных приоритетов республики. Исследование и использование космического пространства играют все более важную роль в экономическом, научном и социальном развитии страны, в обеспечении ее национальной безопасности. В республике создано Агентство космических исследований, которому поручено вести единую госполитику в космической области, представлять Беларусь на международной арене, а также разрабатывать планы по конструированию нового спутника.
Путь к покорению космических высот труден и тернист, и тем более велика радость победы, когда космическое притяжение одерживает верх над земным.
От фундаментальной науки
к космическим технологиям и материалам
За каждым шагом на пути освоения воздушного и космического пространства стоит многолетняя работа научно-исследовательских институтов, центров, лабораторий. В их числе Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова, сыгравший важную роль в развитии национальной космонавтики.
Т
еоретические исследования теплообмена в ядерных рракетных двигателях (ЯРД). Они выполнялись в 1960-1970-х гг. в рамках закрытой программы с шифром «БОН-БН» Академии наук БССР в лаборатории математической теории переноса, которой руководил доктор физико-математических наук Т.Л. Перельман, совместно с НИИ тепловых процессов (ныне Исследовательский центр им. М.В. Келдыша, Россия). Исполнителями заданий были Т.Л. Перельман, О.В. Дихтиев-ский, Н.В. Павлюкевич, С.И. Ша-буня. В Центре им. М.В. Келдыша работы были сосредоточены в отделении, которое возглавлял член-корреспондент АН СССР В.М. Иевлев.
Требовалось определить особенности процесса нагрева рабочего тела, а также адекватно рассчитать гидродинамику и теплообмен в каналах охлаждения элементов конструкции ядерных ракетных двигателей. Решение сложных сопряженных задач теплообмена предопределяло разработку соответствующих методов математического моделирования. В ядерных реакторах гетерогенного класса в рабочем
объеме имеется замедлитель нейтронов, в блоке которого выделяется значительная часть тепла и содержится большое количество каналов охлаждения для прокачки теплоносителя. Поэтому важно было рассчитать теплообмен в замедлителе с каналами охлаждения. Сотрудниками ИТМО, в частности, был предложен способ сведения трехмерной задачи теплообмена к последовательности двумерных решений путем использования нетривиальных физико-математических приемов, которые позволили учесть сложную геометрию границ замедлителя и обеспечили выполнение важного условия выравнивания неравномерностей расхода рабочего тела по каналам. По результатам этих работ в 1980 г. Н.В. Павлюкевич был награжден орденом «Знак Почета», а О.В. Дихтиевский - медалью «За трудовую доблесть».
Изучение сверх- и гиперзвукового движения тел в химически реагирующих газах. При разработке и испытаниях двигателей для гиперзвуковых летательных аппаратов одна из ключевых - проблема инициирования и устойчивости горения
Олег Пенязьков,
директор Институтатепло-и массообмена им. А.В.Лыкова НАН Беларуси, академик
Светлана
Данилова-
Третьяк,
ученый
секретарь ИТМО им. А.В. Лыкова, кандидат технических наук
в сверхзвуком потоке топливной смеси в проточной части аппарата, что определяет его габариты, особенности подачи горючего и диапазон полетных условий. Работы в этом направлении с разной интенсивностью ведутся с 50-х гг. прошлого века. В последнее десятилетие существенный упор делается на математическое моделирование с использованием различных детальных кинетических механизмов химических реакций. При этом все модели такого рода нуждаются в верификации, для чего необходимы подробные экспериментальные данные, полученные при варьировании начальных параметров (форма, размер и скорость метаемого тела, состав и давление горючей смеси). В связи с этим в ИТМО начинается изучение сверх- и гиперзвукового движения тел в химически реагирующих газах. Цель работы - исследовать возможность инициирования и поддержания устойчивой или пульсирующей детонации, которые имеют место в реальной конструкции двигателя, при набегании гиперзвукового потока реагирующей газовой смеси на препятствия различной формы. Это взаимодействие (либо движение метаемого тела по смеси) всегда сопровождается образованием веера ударных волн, которые, в свою очередь, способны инициировать процессы горения и детонации в химически реагирующей газовой смеси. А инициирование и устойчивость горения в сверхзвуковом потоке будут
Тема номера
Комбинированная
газоразрядная
установка
Распределение плотности (1д р, г/см3) при ударе микрометеорита по защитным экранам в моменты времени 5, 20, 60, 120 нс. Вертикальная линия - осевая координата г (мм), горизонтальная - радиальная координата г (мм)
зависеть как от скорости полета (скорости движения потока смеси), размера и формы обтекаемого тела, так и от свойств и состава горючей смеси.
Испытания теплозащитных композитных материалов на установках, моделирующих условия высокоорбитального входа космических аппаратов в атмосферу Земли и планет Солнечной системы - традиционное направление исследований в Институте. Они проводятся в гиперзвуковых высокотемпературных потоках воздушной плазмы и плазмы СО2, которые создаются на торцевом холловском ускорителе и мощных линейных плазмотронах собственной разработки. Изучались теплозащитные материалы спускаемых пилотируемых космических аппаратов, комплекса «Энергия-Буран» и других изделий космической и авиационной техники. Совместно с НПО им. С.А. Лавочкина (Россия) проводятся испытания композиционных материалов для теплозащиты десантного модуля проекта «ЭкзоМарс» Европейского космического агентства. Поскольку марсианская атмосфера
содержит пылевые частицы, опыты проходят и в двухфазных потоках, содержащих частицы А12О3 и 8Ю2 размерами до 50 мкм. 14 марта 2016 г. в космическое пространство выведен первый аппарат российско-европейской марсианской миссии. Запуск второго, в конструкции которого будет и один из испытуемых композитов, планируется на 2018 г.
Противометеорная защита.
Материалы, используемые при производстве космических аппаратов, должны обладать ударной стойкостью при столкновениях с космическими объектами. В ИТМО создана комбинированная газоразрядная установка для ускорения микро- и макрочастиц. В ее метательном устройстве коаксиальный плазменный ускоритель формирует ударную волну в канале высокого давления, заполненном легким газом. Метаемое тело ускоряется за счет энергии сжатого и нагретого под действием ударной волны легкого газа. При испытании установки применен разработанный в институте оптический метод измерения скорости небольших тел. Траектория их движения пересекается лазерными лучами, которые на выходе из вакуумной камеры направляются с помощью оптического волокна на фотодатчики. При выстреле метаемое тело пересекает области хода лучей. При этом сигналы на оптических датчиках последовательно прерываются. По временному интервалу между моментами прерывания сигналов и известному расстоянию между
лучами определяется скорость метаемых частиц. На данной установке для НПО им. С.А. Лавочкина уже проведено исследование стойкости образцов теплозащитных покрытий десантного модуля проекта «ЭкзоМарс» к воздействию твердых частиц при скоростях ~4-7 км/с.
Экспериментальные данные по высокоскоростному удару относятся к области скоростей, не превышающих 10 км/с. Вследствие этого особое значение приобретает численное моделирование динамики удара. Длительное пребывание космических аппаратов на орбите приводит к неизбежному воздействию метеоритов на их поверхность. При этом велика вероятность столкновения с малыми частицами (микрометеоритами) с массой менее 0,01 г. При скоростях соударения порядка 100 км/с плотность энергии при ударе на три порядка выше, чем при взрыве. Поэтому частицы даже малой массы могут производить значительные разрушения. В ИТМО ведутся работы по созданию моделей и расчетам (на основе системы двумерных уравнений газовой динамики) высокоскоростного (2050 км/с) удара микрометеоритов по экранной защите космических аппаратов (размеры ~1 мм), а также больших космических тел (размеры ~1 км) по поверхности Земли. Результаты моделирования соударения астероида с грунтом позволяют детально проследить деформирование тела астероида, динамику образования кратера, распространение ударной волны в грунте, развитие течения в окружающей атмосфере, определить массу испаренного, расплавленного и выброшенного в атмосферу грунта. Результаты расчета ударов микрометеоритов по противоударным экранам космических аппаратов позволяют описать параметры течений, формирующихся при соударении, и прогнозировать
возникающие при этом конструктивные изменения проти-вометеорной защиты.
ИТМО занимается также созданием и обработкой композиционных керамических покрытий для космических аппаратов. Материалы, используемые для про-тивометеорной защиты, должны удовлетворять основным требованиям: минимальная плотность, высокие вязкопластичные свойства, твердость. Совместно с коллегами из БНТУ разработана лабораторная технология изготовления ударостойких элементов экранов с двухслойным композиционным покрытием - вязкий металлический слой №А1 и слой из твердой оксидной керамики А1203. В основе технологии лежит обработка поверхности компрессионным плазменным потоком для активации в поверхностном слое оксидной керамики нестационарных процессов плавления и перекристаллизации, приводящих к формированию высокопрочного поликристаллического слоя, и для улучшения характеристик сцепления слоев №А1 и А1203 в результате теплового импульсного воздействия. Оптимизированы параметры расхода плазмо-образующего газа, дистанции напыления, расхода и фракции порошка, определяющие прочность
сцепления плазменного покрытия с основой. Проведены баллистические испытания разработанных образцов стойких к ударно-абразивному износу экранов противометеорной защиты.
Прецизионная оптика.
Институту принадлежит мировой приоритет в создании технологии высокоточного формообразования и финишного маг-нитореологического полирования плоских, сферических и асферических поверхностей прецизионных оптических и полупроводниковых деталей, а также изделий точной механики. В ИТМО разработана технология полирования поверхностей немагнитных материалов различной формы (сферическая, асферическая, плоская) для суперфинишной обработки оптических деталей, лазерных кристаллов и изделий микроэлектроники с использованием магнитореологических
Программно-моделирующий комплекс для отработки систем терморегулирования космических аппаратов
жидкостей, создано оборудование, позволяющее достичь точности формы до Л/100 и шероховатости поверхности К^ до 0,22,5 нм. Высокоточные оптические изделия применяются в приборах наведения, радарах, космических телескопах. В рамках программы Союзного государства «Технология-СГ» планируется разработка установки для магнитореологического формообразования и финишной обработки оптических элементов спутниковых лазерных систем. При этом лучевая прочность лазерных элементов повышается в 3-10 раз, масса и габариты элементов целевой аппаратуры, например при переходе от сферической оптики к асферической, снижаются в 3-7 раз.
Теплообмен в космосе.
В институте создан универсальный программный комплекс для отработки систем терморегулирования космических аппаратов, который уже используется в ОАО «Пеленг». Пока он применим для аппаратов негерметичного исполнения в условиях орбитального полета вокруг Земли. С его помощью можно конструировать трехмерную геометрическую модель космических аппаратов и рассчитывать их нестационарный тепловой режим во время нахождения на орбите.
Таким образом, разработки ученых Института тепло- и мас-сообмена им. А.В. Лыкова способствуют развитию космической тематики и нацелены на безопасность и целесообразность полетов. СИ
Взаимодействие компрессионного плазменного потока с поверхностью элемента противометеорной защиты и элемент экранной противо-метеорной защиты после пробивания (метаемое тело -графитовый шарик диаметром 2,5 мм, скорость 4,8 км/с)
