Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение

Представлены результаты исследования, на основании которых был разработан комплекс математических моделей для баллистического анализа миссии по отправке малого космического аппарата к спутнику Юпитера Каллисто и его посадки на поверхность спутника. В данной миссии предлагается применить гравитационный манёвр около Земли и аэродинамический манёвр около Юпитера для снижения затрат рабочего тела космического аппарата. Оценена минимальная необходимая тяга двигателей и длительность манёвра для мягкой посадки космического аппарата с заданной массой на спутник. Была найдена оптимальная дата старта для возможности запуска космического аппарата с помощью ракеты-носителя «Союз-2» среднего класса. Моделирование движения проводилось численно, в математическом пакете Mathсad построены все необходимые для анализа движения графические зависимости.

Предложена система электропитания, предназначенная для обеспечения электроэнергией систем космического аппарата. Она обеспечивает сохранение конструктивных характеристик солнечной батареи прототипа и позволяет устанавливать средства обеспечения теплового режима фотоэлектрической батареи с сохранением стоимости производства солнечной батареи прототипа. Рассмотрены различные виды концентраторов солнечной энергии: концентраторы в виде отдельных выпуклых линейных линз Френеля, концентраторы «Flexible Array Concentrator Technology», концентраторы типа «Stretched Lens Array». Представлена методика повышения характеристик солнечной батареи космического аппарата. В методику входит расчет различных видов концентраторов, типов фотоэлектрических преобразователей и видов каркасов солнечной батареи. В качестве примера реализации методики разработана конструкция панелей солнечной батареи. Приведена сравнительная таблица характеристик солнечной батареи до и после модернизации.

Рассматриваются задачи оптимизации траекторного движения первой ступени авиационно-космической системы по критерию максимума конечной массы. Управлением является угол атаки и тяга двигателей. Оптимизация управления проводится на участке траектории от точки приведения первой ступени в район запуска до достижения требуемых для отделения космической ступени параметров движения. Для определения оптимальных программ управления используется принцип максимума Понтрягина. Решение задачи без ограничений на режимы движения проведено на примере разгона и набора высоты первой ступени авиационно-космической системы RASCAL. Предложена методика определения приближённо-оптимального управления в задаче с ограничением на высотный диапазон работы двигателей с раздельной оптимизацией активного и пассивного участков и поиском оптимальной точки их сопряжения. Обсуждаются изменения программы управления, траектории движения и затрат топлива при ограничении максимальной высоты полёта на активном участке.

Проведено исследование характеристик горения в закрученной струе с позиции теории турбулентного горения. Особое внимание уделено зоне обратных токов, образуемой от лопаточного завихрителя. По известному составу смеси последовательно определяются параметры скорости распространения фронта пламени, полноты сгорания, температуры и эмиссии оксидов азота. Созданная аналитическая методика апробирована в диапазоне горения неоднородной и однородной смесей. Расчёты показали зависимость эмиссии от параметров смешения.

Представлены результаты исследований шести сплавов системы Al-Ca-Zn-Mg с добавками меди, марганца, железа и кремния с целью моделирования состава сплава, приготовленного на основе вторичного алюминия. Сплавы изготавливались в виде слитков размером 140×200×20 мм, которые подвергали последующей деформационной обработке методом горячей прокатки с толщины 20 мм до толщины 1 мм, а затем получали холоднокатаные листы толщиной 0,5 мм. Также изготавливался слиток цилиндрической формы диаметром 40 мм и длиной 200 мм, из которого получали прутки диаметром 14 мм методом радиально-сдвиговой прокатки. Горячую деформационную обработку слитков проводили при температуре 450°С без предварительного гомогенизационного отжига. Литые и деформированные образцы исследовали с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. В микроструктуре образцов не было обнаружено грубых игольчатых частиц железо- и кремнийсодержащих фаз, а также каких-либо других грубых интерметаллидов, несмотря на высокое содержание примесей. Проведены механические испытания методом одноосного растяжения деформированных полуфабрикатов, которые не подвергались дополнительной упрочняющей термической обработке. По результатам испытаний был выбран сплав оптимального состава. Установлена возможность получения изделий из высокопрочного и высокотехнологичного алюминиево-кальциевого сплава на основе вторичного сырья без использования гомогенизации и закалки.

Вопрос улучшения энергомассовых характеристик является одним из наиболее важных при разработке газогенераторов различного назначения. В связи с этим, в рамках работ по поиску путей использования перспективных видов топлив проводились экспериментальные исследования газогенератора, работающего на смесевом монотопливе на базе нитроэфиров. В качестве устройства, инициирующего реакцию горения, использовался гранулированный саморазогревающийся тепловой аккумулятор запуска, размещающийся в цилиндрической камере сгорания. Экспериментальные исследования позволили выявить особенности сложного и многостадийного процесса преобразования монотоплива, происходящего в поровом пространстве камеры сгорания газогенератора на поверхностях гранул и внутри сложной системы каналов, состоящих из элементарных ячеек, образованных этими гранулами. При этом поровое пространство теплового аккумулятора представляет собой гранулированную засыпку из монодисперсных гранул неупорядоченной структуры. Задачей работы, описываемой в статье, являлось создание математического описания гранулированной засыпки неупорядоченной структуры, решаемой в двумерной постановке. Предлагается метод перехода от гексагональной укладки к условно-упорядоченной, сочетающей в себе компактность гексагональной и удобство описания – кубической. Получаемая укладка позволяет представить половину фронтального сечения гранулированного теплового аккумулятора в виде вертикального плоского слоя с заданной структурой, определяемой пористостью, диаметром гранул и габаритами камеры сгорания – её длиной и диаметром. Предложенный подход перехода от неупорядоченной структуры засыпки к условно-упорядоченной позволил разработать математическую модель, описывающую внутреннюю структуру теплового аккумулятора запуска, и определить координаты зон теплового аккумулятора, в которых происходят различные стадии преобразования монотоплива. Это позволит перейти к формированию описания рабочего процесса газогенератора с гранулированным саморазогревающимся тепловым аккумулятором запуска.

Представлены результаты исследования элементного состава, морфологии поверхности, оптических и электронных свойств тонких плёнок Mg₂Si, сформированных на Si (111). Оба образца, содержащие плёнки, формировались послойно методом реактивной эпитаксии, но при разной температуре прогрева подложек. Сформированные плёнки, состоящие из чередующихся слоёв Mg и Si в соотношении 3:1, по данным электронной оже-спектроскопии содержат атомы Mg и Si в соответствующих слоях. Методом комбинационного рассеяния света установлено наличие на графиках образцов пиков при сдвиге 258 и 348 см^-1, принадлежащих Mg₂Si. Данные инфракрасной спектроскопии также свидетельствуют о наличии силицида магния в составе плёнок. Проведена оценка толщины выращенных плёнок Mg₂Si, исходя из известных данных о зависимости амплитуды пиков поглощения при 272 см^-1 от коэффициента поглощения. По результатам исследования образцов в инфракрасном-ультрафиолетовом диапазоне и на основе геометрических расчётов определена ширина запрещённой зоны Mg₂Si.