Сибирские ученые разрабатывают методы оценки нагрузок космических аппаратов

 

В лаборатории неравновесных течений и аэротермодинамики космических аппаратов, созданной НГУ совместно с исследователями из Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, разрабатывают теоретические и физические модели воздействия среды на летательные аппараты и планируют создать программное обеспечение для расчета этих параметров.

Лаборатория создана на средства гранта Министерства образования и науки РФ, сумма которого составила 90 млн. рублей на 3 года. По словам заведующего лабораторией, доцента-исследователя астронавтики Университета Южной Калифорнии, США (Research Associate Professor of Astronautics, University of Southern California, USA) Сергея Феликсовича Гимельшейна, сотрудничество продолжится и после прекращения финансирования, так как совместная работа в этом направлении идет постоянно и началась задолго до получения гранта. Сегодня в лаборатории работает около 40 сотрудников. Группа преподавателей и студентов НГУ занимается исследованием двухфазных течений. Две группы из ИТПМ СО РАН разделили между собой разработку теоретических,  физических моделей, программных средств для расчетов и изучения ламинарных неравновесных течений. Сергей Гимельшейн говорит, что молодых сотрудников на сегодняшний день не хватает, и они активно приглашают студентов и аспирантов.

Основная задача, стоящая перед исследователями, — изучение неравновесных, турбулентных и двухфазных течений.  В перспективе знания в этой области помогут разработать численные методы и новые экспериментальные подходы для тестирования космических аппаратов.

Неравновесные течения в газах — это процессы, которые стремятся привести систему к равновесию, например, знакомая всем из курса школьной физики диффузия. Может быть неравновесие скоростей, внутренней степени свободы молекул газа и химическое, связанное с процессами, происходящими в газе или на поверхностях летательного аппарата. По словам Сергея Гимельшейна, ключевое значение для космических исследований имеет неравновесность газа, связанная с соизмеримостью длинны пробега молекулы (сколько она проходит до столкновения с другой молекулой) с масштабами тела. Турбулентные течения — возникающие в жидкости или газе нелинейные фрактальные волны. С этим явлением мы можем сталкиваться при полете на самолете. Двухфазное течение в газе возникает в том случае, если в нём есть твердые или жидкие частицы.
Сергей Гимельшейн
Изучение всех видов этих течений может иметь свое применение, конечно, в первую очередь — космос.

— Мы сможем достаточно точно предсказывать тепловые нагрузки и аэродинамические свойства летательных аппаратов, — говорит Сергей Феликсович. — Второе применение, связанное с космической техникой, — струйные двигатели, речь идет не только об их производительности, но и загрязнении поверхности приборов продуктами. Турбулентное течение встречается везде: космические аппараты, самолеты. Но нас интересует не само это состояние, а процесс перехода от ламинарного течения (в котором газ перемещается слоями, без перемешивания) к турбулентному. Если говорить о микроустройствах, для которых можно применить наши исследования, то это могут быть микронасосы и микроканалы. У двухфазных течений газа также есть масса применений. Например, современные масс-спектрометры, аналитическая химия, фармацевтическая промышленность и разработка новых лекарств, биотехнологии, — перечисляет С. Гимельшейн и добавляет,— этот тип течения газа может применяться даже для уменьшения загрязнения окружающей среды при сгорании угля. Если поместить частички последнего в поток кислорода, например, выбросы уменьшатся. А это тоже двухфазное течение. Конечно, я назвал не все сферы использования результатов, но если обрисовать буквально 4-5 основных применений, то это они и будут.

Работа в новой лаборатории продолжается уже полгода. По словам Сергея Феликсовича, в финале хочется увидеть новые теоретические модели, эффективные и физически адекватные программные средства, адаптированные к современным многоядерным и оснащенным графическими процессорами машинам. Экспериментальную базу ученые планируют также привести к уровню, превышающему мировые аналоги.

www.COPAH.info

Фото: Юлия Позднякова