Том 25, № 1 (2024)

Обсуждаются возможности создания на базе кафедры космических средств и технологии Сибирского государственного университета науки и технологий имени М. Ф. Решетнева инновационного учебно-научного центра мониторинга лесных ресурсов Сибири с целью подготовки инженерных кадров высшей квалификации и проведения перспективных научных исследований в области мониторинга, моделирования, прогнозирования и управления лесными ресурсами. Предлагаются методические решения и алгоритмы трехмерного моделирования структуры и динамики леса по данным лазерного сканирования, цифровой аэро- и космической съемки. Эти методы способствуют оперативному мониторингу и позволяют значительно снизить стоимости по контролю состояния и использования лесных ресурсов на огромной территории Сибири. Данные дистанционного зондирования представляются в виде геотрансформированной базы данных и цифровой фотокарты, совместимых в форматах с системами автоматизированного проектирования и основными геоинформационными системами – ArcView, ArcINFO, MapINFO. Инновационный центр мониторинга будет использован для оперативного государственного контроля и мониторинга лесопользования, состояния лесных земель, лесоустройства и инвентаризации лесов; решения задач экологии и природопользования, геоэкологии; формирования кадастра лесных ресурсов; аэрокосмических методов исследования природных ресурсов и территорий, информационных технологий. Решение данных задач позволит осуществлять подготовку специалистов высокой и высшей квалификации. Специалистами центра планируется создавать информационные технологии дистанционного зондирования природных объектов с целью импортозамещения зарубежных программных продуктов. Основные научные направления создаваемого центра: разработка и исследование методики системного анализа многомерных данных дистанционного зондирования большого объёма на основе непараметрических алгоритмов принятия решений и технологий параллельных вычислений; проверка гипотез о распределениях данных дистанционного зондирования большого объёма, основанных на непараметрических алгоритмах распознавания образов ядерного типа; обнаружение компактных групп данных дистанционного зондирования большого объёма, соответствующих одномодальным фрагментам совместной плотности вероятности многомерных случайных величин.

Композиционные материалы широко используются практически во всех сферах науки, техники, без них современная жизнь не мыслима. Механика деформируемого твердого тела сформировалась и окрепла как наука на изучении материалов, используемых в 19 и 20 вв. Композиционные материалы потребовали новых способов как теоретического, так и экспериментального изучения. Особой проблемой стало определение напряжений и деформаций, возникающих в местах контакта матрицы с волокнами. Большую роль в современной технике играют композиты с пластической матрицей. Эти материалы успешно справляются с трещинообразованием и существенно замедляют рост трещин. В настоящей статье решена задача о напряженном состоянии композиционного бруса с упруго-пластической матрицей и упругими волокнами, расположенными вдоль оси бруса. Предполагается, что в зоне контакта матрицы с волокнами, по модели Ю. Н. Работнова, реализуется постоянное касательное напряжение, меньшее, чем предел текучести волокна. Один конец бруса закреплен, а на второй – действует постоянная сила, приложенная к центру тяжести, совпадающему с началом координат. Предполагается, что на свободной границе бруса и в местах контакта бруса с волокнами напряжения достигают предела пластичности. Задача решена с помощью законов сохранения. Это позволяет свести нахождение напряженного состояния в произвольной точке сечения к вычислению интегралов по внешней границе бруса и границам матрицы и волокон.

Разработка высокоскоростных летательных аппаратов баллистического типа со скоростью, превышающей 1000 м/с, в настоящее время является приоритетной задачей за рубежом и в России. Эффективность таких новых изделий подтверждается трековыми испытаниями со скоростью их применения. Испытательные полигоны с рельсовыми трассами существуют практически во всех странах, например в США их более 15: двухрельсовые, монорельсовые и различные их комбинации, различающиеся длиной, шириной рельсовой пары, рельсами и конструкцией самого трека, включая герметичную оболочку над рельсовой дорожкой для заполнения ее более легкой средой. Самый длинный трек США Holloman AFB, расположенный в New Mexico, длиной 15536 м. Располагают трековыми полигонами с различной длиной и своим особенным исполнением Англия, Франция, Германия, Канада, Италия, Япония, Индия, Китай, Корея, Турция и другие страны, включая Африканский континент. Высокоскоростные полигонные испытания в России проводятся на экспериментальной установке «Ракетный рельсовый трек 2500», размещенной на территории ФКП «ГкНИПАС имени Л. К. Сафронова». Экспериментальная установка состоит из рельсового пути, размещенного на специальном основании, обеспечивающем необходимый вертикальный профиль пути с участками подъема и прямолинейного горизонтального движения, а также технологический участок снижения для торможения подвижного технологического оборудования. Испытуемое изделие размещается на ракетной трековой каретке, движущейся по рельсам на опорах скольжения. Для придания ускорения трековой каретке используются ракетные двигатели твердого топлива, тяга которых выбирается на основе баллистических расчетов для достижения требуемой скорости испытания. Длина трека играет важную роль для достижения предельных скоростей разгона подвижного трекового снаряжения. Огромное аэродинамическое сопротивление, пропорциональное квадрату скорости движения каретки при испытаниях на высоких скоростях приводит к необходимости уменьшать мидель и массу подвижной установки. Увеличение тяги двигателей приводит к росту массы и стоимости трекового снаряжения, а также к необходимости увеличения запаса прочности опор скольжения. Однако прирост скорости испытаний можно достичь при замене воздушной среды газами, обладающими существенно меньшей плотностью, например гелием. Трековые испытания новых летательных аппаратов или их элементов хотя и дешевле летных испытаний, однако достаточно дороги. В этой связи работа по теоретической оценке замены среды из окружающего воздуха на гелий, а также на смеси гелия с воздухом при разной его концентрации в крытой галерее на трековой рельсовой дорожке является новой, актуальной и практически полезной задачей. В работе выполнено численное моделирование задачи сверхзвукового обтекания потоком смеси гелия с воздухом при различном их объемном соотношении. Получены численные значения аэродинамического сопротивления при скорости движения каретки равной 830 м/с. Приведены результаты численных расчетов динамики движения 3D-модели монорельсового трекового снаряжения, которые планируются для использования при проведении натурных огневых экспериментов.

С увеличением веса и сложности полезного груза, который необходимо вывести на орбиту, возрастает актуальность рационального выбора траектории для обеспечения максимальной эффективности и минимальных затрат на доставку полезного груза на заданную орбиту.

Рациональный выбор траектории ракеты-носителя тяжелого класса имеет ряд важных практических применений. Во-первых, он позволяет увеличить грузоподъемность ракеты-носителя и сократить затраты на доставку полезного груза на целевую орбиту. Это особенно важно в условиях развития космической индустрии, когда все больше компаний и организаций проявляют интерес к запуску собственных спутников и других космических аппаратов в условиях жесткой экономической конкуренции. Выбор рациональной траектории вывода на орбиту полезного груза позволит значительно снизить стоимость запусков и сделать их доступными для более широкого круга потенциальных заказчиков.

Во-вторых, выбор параметров траектории ракеты-носителя имеет важное значение для обеспечения безопасности и минимизации рисков при запусках космических аппаратов. Благодаря рациональному выбору траектории возможно уменьшение неблагоприятных воздействий на окружающую среду и исключение возможности аварийных ситуаций, связанных с потерей контроля над полетом ракеты-носителя.

Рациональный выбор параметров траектории ракеты-носителя является сложной задачей, требующей комплексного исследования и учета различных факторов, таких как аэродинамические параметры атмосферы, масса и характеристики полезного груза (космического аппарата), параметры работы двигателя, характеристики целевой орбиты, особенности запуска ракеты-носителя и многих других факторов. Более тщательное и системное изучение влияния этих параметров позволит значительно улучшить эффективность и надежность выведения космических аппаратов на орбиту.

Таким образом, выбор рациональных параметров траектории ракеты-носителя является актуальной и важной темой для научного исследования. Повышение грузоподъемности ракеты, снижение затрат на доставку космического аппарата на заданную орбиту и обеспечение безопасности запусков – это задачи, зависящие от выбранной формы и параметров траектории ракеты.

Цель исследования – выбор рациональных параметров траектории ракеты-носителя тяжелого класса при выводе полезного груза. Основной задачей является определение параметров траектории полета, которые позволят достичь максимальной эффективности и точности доставки полезного груза на заданную орбиту.

Для достижения цели исследования требуется анализ различных факторов влияния на параметры вывода космического аппарата, таких как конструктивные и аэродинамические характеристики ракеты, влияние аэродинамических факторов и гравитационного поля Земли на траекторию полета. С учетом этих факторов проведены численные расчеты на базе системы дифференциальных уравнений движения с помощью компьютерной программы, созданной в программном пакете MAPLE. На основе расчетов проведено моделирование формы и параметров траектории полета ракеты-носителя.

В ходе исследования проведен выбор рациональных параметров траектории ракеты-носителя тяжелого класса. Расчеты проводились с помощью численного моделирования параметров траекторий вывода полезного груза, сделан анализ полученных траекторий. В качестве основного критерия рационального выбора траектории была обозначена минимизация времени полета ракеты, что позволяет увеличить эффективность запуска и сэкономить энергоресурсы. В качестве дополнительных критериев приняты увеличение массы полезного груза и минимизация расхода топлива.

Предлагаемый в работе порядок выбора рациональных параметров траектории ракеты-носителя тяжелого класса позволит улучшить точность доставки и надежность запусков космических аппаратов на этапе баллистического анализа при проектировании ракет. Результаты исследования имеют практическую значимость для разработки будущих миссий ракет-носителей тяжелого класса и повышения эффективности космических запусков.

При проектировании и отработке ракетного двигателя малой тяги (РДМТ) одной из важнейших задач является обеспечение качества материалов, что, в свою очередь, влияет на надежность изделия. В настоящее время активно развиваются аддитивные технологии изготовления деталей из металлов. Это направление актуально для изделий ракетно-космической техники с целью уменьшение массы и повышения надежности изделий. В статье представлены результаты исследований химического состава и механических характеристик материала камеры-демонстратора ракетного двигателя малой тяги, изготовленной методом выборочного лазерного сплавления из металлического порошка. Исследовались свойства изделий из порошка металла марки Инконель 718. Были изготовлены образцы, у которых исследовались химические, механические и структурные характеристики материала. По результатам испытаний напечатаны два образца РДМТ. Камеры РДМТ испытывались на вибронагрузки, прочность и герметичность. Была отмечена повышенная пористость и шероховатость исследуемого материала камеры двигателя. При анализе ряда параметров технологии выборочного лазерного сплавления, проведен экспериментальный подбор параметров печати и выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на качество печати (шероховатость и пористость поверхности). По результатам проведенных работ выделены четыре группы управляемых параметров печати, влияющих на свойства получаемого материала. Также в работе приведены рекомендации по режимам и характеристикам печати для получения наиболее качественных деталей.

В настоящей работе представлен обзор современной технической проблемы, связанной с двухфазными системами терморегулирования космических аппаратов, и возможные технические приложения рекуперации тепловой энергии в органическом цикле Ренкина как составной части систем обеспечения теплового режима. Конструктивное решение подразумевает собой интегрирование паровой микротурбины за радиатором-испарителем. Микротурбина представляет собой тангенциальное подводящее устройство и радиально центростремительное рабочее колесо низкой быстроходности n_st<40. В этой области не существует достоверных данных по проектированию и энергетики как подводящего устройства, так и рабочего колеса. Энергетика (потери энтальпии) подводящего устройства определяет в основном транспорт закрученного потока к рабочему колесу и, как следствие, окружную работу на турбине. Разработан и представлен прототип радиальной микротурбины с целью оценки конструктивного исполнения проточной части как подводящего устройства, так и рабочего колеса. В результате анализа выделены основные определяющие гидродинамические участки, необходимые для гидродинамического анализа и математической проработки алгоритма расчета течений с оценкой энергетических потерь: течение закрученного потока радиально-кольцевой щели; осе-кольцевой щели и тангенциального подводящего устройства. Первые два алгоритма предполагают расчетное моделирование. Модель энергетических потерь в тангенциальном подводящем устройстве не поддается аналитическому моделированию, поскольку включает в себя последовательность (или совместность) течения в граничных условиях, определяемых как «местные сопротивления»: внезапное расширение, разворот потока, совместно с участком радиально окружного течения. Взаимовлияние этих граничных условий предполагает только экспериментальную оценку энергетических потерь в тангенциальном подводящем устройстве через коэффициент потерь местного сопротивления в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров.

В результате экспериментальных исследований предложена база данных по коэффициенту потерь тангенциальных подводящих устройств микротурбины в области практического диапазона существования режимных и конструктивных параметров.

Алюминиевые сплавы находят широкое применение при производстве летательных аппаратовв связи со своей прочностью, легкостью, устойчивостью к коррозии, необходимой электропроводностью. При этом используемые в дальнейших переделах космической промышленности алюминиевые слитки должны иметь высокое качество. Технологические проблемы и брак возникают при несоблюдении температурных, скоростных и других технологических параметров литья, а также при изменении режимов. При этом литейные процессы автоматизированы частично, человеческий фактор значительно влияет на качество продукции и безопасность работ. Поэтому автоматизация этих сложных процессов с использованием математических моделей для предсказания параметров литья является актуальной задачей.

Цель работы – создание математических моделей, доступных для использования в системах автоматизированного управления технологическим процессом (АСУТП), а также разработки цифрового двойника.

В работе представлены упрощенные формулы для моделирования распределения температуры алюминиевого слитка в процессе литья, охлаждения металла при движении по металлотракту, выполнены тестовые расчеты распределения температур внутри слитка при достижении слитком фиксированной длины.

Результаты этой работы могут быть использованы для повышения эффективности и точности управления процессом литья алюминиевых слитков, для исключения аварийных ситуаций.