В сентябре 2021 года в Южно-Уральском государственном университете открылась Молодежная лаборатория в рамках национального проекта «Наука и университеты» для реализации проекта Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы» (УМНОЦ) по созданию демонстраторов технологии полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.
Создание и испытание демонстраторов является стандартной практикой среди ведущих держав, обладающих космическими технологиями. Проекты по исследованию демонстраторов технологии одноступенчатой полностью многоразовой ракеты-носителя проводились в масштабах УМНОЦ поэтапно в течение нескольких лет. В 2024 году при поддержке центра проводилось изучение системы управления, обеспечивающей приземление демонстратора двигательной установки в заданном месте. Главной мировой особенностью реализуемого проекта является то, что демонстратор двигательной установки со штыревым соплом (центральным телом) впервые исследовался в движении.
Сегодня направление научных исследований молодёжной лаборатории проблем физико-химии и газодинамики двигательных установок многоразовых ракет-носителей реализуется при экспертном сопровождении Государственного ракетного центра имени академика В.П. Макеева в рамках проекта УМНОЦ по демонстратору. Деятельность новой лаборатории связана, в том числе, с подготовкой уникальных специалистов для университета и предприятий страны. Сегодня в ней трудятся двадцать три сотрудника вуза, включая двоих магистрантов и руководителя.
«В русле нашей научно-исследовательской молодежной лаборатории решаются отдельные сопряжённые задачи, связанные с конструктивными способами устранения асимметрии при движении летательного аппарата, проводятся исследования в области материалов, а также физических и газодинамических процессов, протекающих в демонстраторах двигательной установки со штыревым соплом (центральным телом), – уточняет заведующий лабораторией, кандидат технических наук ЮУрГУ Юрий Капелюшин. – Научный и практический интерес для нас представляют схемные решения по охлаждению центрального тела газогенераторным газом, валидация взаимодействия газовых потоков вблизи поверхности на основе экспериментальных данных, а также акустические испытания демонстратора двигательной установки с охлаждаемым центральным телом в процессе взаимодействия с преградой».
Одно из исследовательских направлений лаборатории связано с изучением акустических процессов, возникающих в двигательной установке на этапе старта или посадки; по такому направлению в скором времени планируется защита кандидатской диссертации одним из сотрудников.
Практическая значимость изучения акустики состоит в разработке методики прогнозирования уровня шума струй демонстратора двигательной установки, возникающих при ее работе; в стенах новой лаборатории ЮУрГУ это происходит с помощью методов численного моделирования турбулентных пульсаций слоя смешения и последующего спектрального анализа звукового сигнала.
Такое выявление дискретных акустических частот, при которых возможно возникновение явлений резонанса, позволит существенно снизить вероятность отказа электронных компонентов бортового оборудования реальной ракеты-носителя на этапе старта или посадки, а также позволит сохранить полезную нагрузку носителя.
В 2024 году на испытательном полигоне в Челябинской области команда специалистов НИЛ проблем физико-химии и газодинамики двигательных установок многоразовых ракет-носителей, при взаимодействии со специалистами центра виброиспытаний и мониторинга состояния конструкций ЮУрГУ, провела серию экспериментальных исследований по регистрации и локализации шума демонстратора двигательной установки с применением современных методов 3D-визуализации шума.
Данные, полученные в ходе исследования, позволят ученым сформировать точную математическую модель прогнозирования уровня и частот акустических колебаний, возникающих при работе двигателя, для защиты электронных компонентов разрабатываемых ракет-носителей, полезной нагрузки, а также защиты органов слуха персонала космодрома.
В лаборатории проводятся также работы, связанные с внешней газодинамикой. Предполагается, что при движении летательного аппарата в верхних слоях атмосферы могут возникать асимметрии, связанные с уносом теплозащитного покрытия.
Для разработки конструктивных способов устранения такой асимметрии челябинские исследователи разработали компьютерную модель, валидация которой осуществляется на лабораторном испытательном стенде.
.jpg)
Ученые предложили концепцию системы коррекции массово-инерционных характеристик, позволяющую устранять массово-инерционные асимметрии, смещать центр масс конструкции от центра давления. Среди прочих результатов работы сотрудников лаборатории – готовые математические модели массово-инерционных характеристик системы, методики и математическое обеспечение для анализа массово-инерционной асимметрии, а также макет системы коррекции массово-инерционных характеристик роторной конструкции с ее экспериментальным исследованием.