«Газодинамика и теплофизика в космосе». Вячеслав Николаевич Ярыгин доктор технических наук, главный научный сотрудник .
Сегодня я хочу поздравить коллег с праздником — Днем космонавтики!
Так случилось, что День космонавтики — это фактически один из немногих праздников, которые отмечаются в международном масштабе. Организация объединенных наций некоторое время назад приняла решение, что Международный день полета человека в космос будет отмечаться 12 апреля, и связан он с полетом Юрия Гагарина.
Произошло это 63 года назад. Как раз было время, когда формировалось Сибирское отделение Академии наук. СО АН было организовано в 1957 году, всего лишь через 12 лет после окончания войны. Несмотря на тяжелейшие потери, нашлись средства для развития науки на Востоке. Это было крайне важным для нашей страны решением. Кстати, в тот же год, 4 октября, был проведен запуск первого искусственного спутника Земли.
В связи с активным развитием космической техники и полётом Гагарина в 1961 году многие институты СО АН СССР, в том числе Институт теплофизики, подключились к космической тематике. Инициатором стал Ребров Алексей Кузьмич, тогда 30-летний молодой учёный, ныне академик РАН, который приехал из Казанского авиационного института в Институт теплофизики. Я тогда был студентом Казанского авиационного института, и Алексей Кузьмич пригласил меня на дипломную работу в Институт теплофизики. Это был август 1963 года, в то время Институт располагался в 10-м доме на улице Жемчужной, на первом этаже, в 3-х комнатной квартире. Там проходила защита, и там же сидела вся дирекция, включая Новикова Ивана Ивановича, тогдашнего директора, и Кутателадзе Самсона Семеновича, заместителя директора. После защиты диплома в декабре 1963 года мне было предложено поступить в аспирантуру Института теплофизики, хотя у меня было направление в Казанской авиационный институт. Я остался, Самсон Семенович стал моим руководителем, а тема моей диссертации – исследование электродуговых плазмотронов пониженного давления.
Ровно 60 лет назад, 1964 году, была введена в строй первая вакуумная установка, созданная при моем участии, которая располагалась в главном корпусе в небольшой двухмодульной комнате, ныне кабинете А.К. Реброва. На этой установке был создан и исследован электродуговой высокотемпературный подогреватель, который моделировал струю ракетного двигателя. Как в 60-е годы, так и в настоящее время, в качестве двигателей управления космических аппаратов используются, так называемые, жидкостные ракетные двигатели малой тяги, работающие на вредных компонентах топлива, и высокотемпературная струя, выбрасываемая из сопла, создает тягу, необходимую для ориентации космического аппарата. Кроме того, струи двигателей вызывают силовое и тепловое воздействие на элементы конструкции космических аппаратов. Исследованием чего наша лаборатория и начала заниматься с 70-х годов. Исследования проводились в интересах РКК «Энергия» им С.П. Королева, в частности по программе «Союз-Апполон» в 1975 году, а также других заинтересованных организаций.
В 1998-м году с запуска первого модуля – функционального грузового блока «Заря» – на орбиту началось создание Международной космической станции. При этом появилась новая проблема, связанная с загрязняющим воздействием струй двигателей ориентации станции. Продукты сгорания, которые образуются при воспламенении компонентов топлива, являются вредными и химически агрессивными. Они, как показывают эксперименты, оседают на элементах конструкции космической станции, представляя большую опасность для космонавтов во время выхода в открытый космос, и влияют на работоспособность элементов станции, например, таких как антенны связи и солнечные батареи. Когда функционировала советская орбитальная станция «Мир», на проблему загрязнения фактически не обращали внимания, но с началом создания Международной космической станции, в котором принимали участие зарубежные страны, в том числе Соединённые Штаты Америки, была поставлена задача минимизировать загрязняющее воздействие контаминантов так, чтобы не подвергать космонавтов и астронавтов опасности. По предложению РКК «Энергия» мы подключились к решению проблемы внешнего загрязнения МКС.
Если в своих ранних исследованиях мы имели дело с чисто газовыми струями, то в тот момент появилась задача моделирования пленочного охлаждения. Реальные двигатели работают при очень высокой температуре, около свыше 3000 градусов. Для того, чтобы двигатели при запуске не сгорали, вдоль стенки камеры сгорания и сопла двигателя подается охлаждающая пленка одного из компонентов топлива. И эта пленка защищает сопло от высокотемпературных продуктов сгорания.
Поэтому у нас была цель – провести исследование совместного истечения в вакуум из сверхзвукового сопла газового потока и пристенной пленки жидкости. Когда мы начали заниматься этим вопросом, пытались понять причины загрязнения, то обнаружили новый эффект: когда пристенная плёнка жидкости течет по внутренней поверхности сопла, она достигает выходной кромки, на которой разворачивается, выходит на наружную поверхность сопла и начинает двигаться по ней в обратном направлении, даже против сил тяжести.
В реальном ракетном двигателе охлаждающая пленка распадается на выходной кромке на капли, и вместе в продуктами сгорания разлетается в различных направлениях, практически в полную сферу, попадая на поверхность станции и загрязняя её. Как оказалось, это и есть главная причина загрязнения. После того, как мы поняли, в чём дело, мы предложили специальные газодинамические защитные устройства, которые уменьшают эти так называемые обратные потоки – экраны, устанавливаемые на выходную часть двигателя. Такие экраны не должны менять тяговые характеристики двигателя и другие параметры, они должны защищать окружающее двигатель пространство и собирать на себя эту всю «космическую грязь».
Поскольку работа с натурными двигателями при проведении исследований крайне сложна и небезопасна, мы проводили модельные исследования в вакуумной камере. Были выработаны критерии моделирования, были выбраны жидкости, которые по своим физическим свойствам воспроизводят натурные компоненты топлива. Параметры газового потока тоже надо было подобрать таким образом, чтобы они воспроизводили удельные тяговые характеристики двигателя. Все это было сделано, и был проведен цикл экспериментальных исследований по моделированию течения струй жидкостных ракетных двигателей малой тяги, которые установлены в настоящее время на Служебном модуле Международной космической станции.
По нашим рекомендациям в РКК «Энергия» были спроектированы и изготовлены газодинамические защитные устройства, которые в одну из экспедиций на МКС космонавты доставили и установили на блоки двигателей ориентации. Далее был проведен натурный космический эксперимент с этими устройствами: сначала провели эксперимент без экранов и смотрели, как оседают контаминанты, а потом те же самые эксперименты были проведены с экранами. И для того, чтобы фиксировать структуру течения капель контаминантов вблизи блоков двигателей были установлены специальные планшеты, на которые оседали загрязнения. Планшеты сначала экспонировались несколько месяцев без экранов, а после монтажа защитных устройств планшеты были заменены на новые и несколько месяцев экспонировались уже с экранами.
Этот натурный эксперимент был закончен в середине 2000-х годов, и после его окончания планшеты были демонтированы космонавтами и возвращены на Землю. Было показано, что эксперимент на орбите подтвердил результаты наших модельных экспериментов: величина загрязнения была уменьшена примерно на три порядка, то есть в тысячу раз.
В настоящее время газодинамические защитные устройства, экраны, установлены на МКС, в частности на Служебном модуле, которая каждые полтора часа пролетает у нас над головой. Сейчас это гигантское сооружение размером с футбольное поле, весом более 450 тонн. К этой разработке Институт теплофизики имеет самое непосредственное отношение, что подтверждается совместными научными публикациями.
Хотелось бы отметить, что модельные исследования, о которых шла речь, были выполнены на крупномасштабной вакуумной газодинамической установке ВИКИНГ, которая была введена в строй в середине 1985-го года. Она была создана при активном участии РКК «Энергия» для исследований с области газодинамики космических кораблей и орбитальных станций и входит в Вакуумный газодинамический комплекс Института теплофизики, включенный в перечень уникальных научных установок РФ. По своим размерам установка ВИКИНГ очень близка к Служебному модулю МКС, 4 метра в диаметре и 12 метров в длину. Находясь внутри вакуумной камеры во время подготовки к экспериментам, мы можем представить в каком по размерам пространстве на протяжении месяцев работают и живут космонавты на орбите.
На МКС кроме российских модулей есть и американские, и европейские, и японские, то есть, это действительно международный проект. И это, по сути, может быть один из немногих сохранившихся научных контактов между Россией и Америкой, между российскими и американскими учёными. Космические программы, которые не разрушены, которые продолжается и в настоящее время.
Впереди у нас новые задачи: космос неисчерпаем, так же как и теплофизика!
На фотографии: Игорь Вячеславович Ярыгин к.ф.-м.н. и Вячеслав Николаевич Ярыгин д.т.н. около установки "Викинг" в лаборатории разреженных газов ИТ СО РАН. Фото из архива ИТ СО РАН.