Направления и история ЦТА ЦНИИмаш

Центр теплообмена и аэрогазодинамики (ЦТА) ФГУП ЦНИИмаш г. Королев является головным научно-исследовательским подразделением Федерального космического агентства по отработке теплообмена и аэрогазодинамики изделий РКТ.

Основная задача Центра – проведение исследований и выдача рекомендаций по вопросам аэрогазодинамики, аэрофизики, теплообмена, теплозащиты и тепловых режимов изделий РКТ на всех этапах их функционирования.

Направления деятельности

• Научно-техническое сопровождение ОКР по созданию изделий РКТ в части отработки их теплообмена и аэрогазодинамики.
• Разработка нормативно-технических документов, содержащих порядок и методы расчетно-экспериментальной отработки теплообмена и аэрогазодинамики изделий РКТ.
• Разработка математических моделей и программного обеспечения расчетов и выдача рекомендаций по тепловым и аэрогазодинамическим нагрузкам на изделия РКТ на всех этапах их функционирования, разработка методических и справочных материалов.
• Экспериментальная отработка теплозащитных материалов и элементов конструкций изделий РКТ, в том числе выбор теплозащитных и теплоизоляционных материалов и покрытий, а также определение потребных толщин теплозащитных пакетов.
• Проведение теоретических и экспериментальных исследований физико-химических процессов в высокотемпературном воздухе и их влияния на аэродинамику и теплообмен изделий РКТ.
• Исследования тепловых режимов, характеристик систем терморегулирования и методов тепловакуумной отработки космических аппаратов.
• Исследования поведения материалов в условиях космического пространства (глубокий вакуум при температурах от криогенных до 1500 К, различные виды излучений), а также в среде жидкого и газообразного водорода.
• Исследования плазменных образований и их воздействия на радиосвязь с изделиями РКТ.
• Экспертиза проектных материалов КБ, подготовка и выдача заключений по теплообмену, теплозащите и аэрогазодинамике изделий РКТ на каждом этапе их создания.
• Совершенствование и развитие экспериментальной базы предприятия для отработки теплообмена, теплозащиты и аэрогазодинамики изделий РКТ.

Историческая справка

История научного направления аэродинамики в институте началась в 1947 г., когда в составе НИИ-88 была образована газодинамическая лаборатория, в 1948 г. преобразованная в отдел аэродинамики (отдел «А»). Научное руководство аэродинамическими исследованиями в обеспечение ОКР, проводимых в институте под руководством С.П.Королёва, осуществлял крупный учёный-механик, профессор МГУ, академик Узбекской АН Х.А.Рахматулин. В 1961 г. большой к тому времени отдел «А» стал комплексом (начальник д.т.н., профессор Ю.А.Демьянов), на базе которого, в свою очередь, с привлечением ряда других подразделений института в 1974 г. были образованы два новых подразделения - отделение тепловых режимов (начальник д.т.н., профессор Н.А.Анфимов, позже - академик РАН и генеральный директор института) и отделение аэрогазодинамики (Ю.А.Демьянов), преобразованные в 1991 г. в центры. В 2005 г. эти центры объединены в комплекс, который в 2009 г. преобразован в центр теплообмена и аэрогазодинамики. Эти изменения были продиктованы динамикой, масштабом и сложностью задач, выдвигаемых в процессе развития ракетной техники. В настоящее время центр состоит из 10 тематических подразделений, цеха и конструкторского бюро, в которых трудятся около 450 человек.

В период 1947–1951 гг. в очень сжатые сроки созданы сверхзвуковые аэродинамические трубы первого поколения (У-1, У-2, У-3, У-4), на которых была проведена аэродинамическая отработка ракет Р-1, Р-2, Р-3, Р-5.

В 1951–1961 гг. происходит интенсивное развитие и становление новых направлений аэрогазодинамики (в т.ч. теплообмена и теплозащиты) и создаются аэродинамические трубы и стенды 2-го поколения: У-6, установки адиабатического сжатия, ударные трубы и др. В 1955–1957 гг. созданы первые в мире газодинамические установки с электродуговым подогревом (ЭДУ) мощностью от 500 кВт до10 МВт, позволившие отработать теплозащиту МБРДД и первых спутников, и пилотируемых комплексов типа «Восток». Эта работа в 1961 г. была отмечена Ленинской премией.

В 1961–1974 гг. создаются методологические основы наземной отработки и новые экспериментальные средства для изучения проблем аэродинамики и теплообмена тяжелых носителей (Н-1), космических аппаратов типа «Союз», аппаратов для исследования Луны и атмосфер Венеры и Марса, проблем причаливания и стыковки (КК «Союз» и «Аполлон», ОС «Салют»). Созданы барокамера У-22М и горячие стенды для отработки различных видов старта ракет, комплекс ударно-волновых стендов УВ-102, УВ-104, УВ-106, УВ-107 и ударных труб У-12, У-8М, аэродинамические трубы разреженного газа У-18 и У-16, комплексы теплофизических, физико-механических, тепловакуумных, триботехнических и радиационных установок, стенды для исследования поведения материалов в условиях воздействия факторов космического пространства (ФКП), а также в среде жидкого и газообразного водорода. На основе обобщения проведенных исследований подготовлены первые методические руководства и справочные материалы для конструкторов по аэродинамике и теплообмену. В 1966 г. эта работа была отмечена Ленинской премией. Потребности ракетно-космической техники повлекли необходимость нового развития аэрогазодинамической базы института, которое началось с постановления Правительства 1968 г.

В 1974–1990 гг. основные проблемы были связаны с разработками летательных аппаратов с малым баллистическим коэффициентом и созданием многоразовой космической системы «Энергия» – «Буран». Они потребовали применения новых теплостойких материалов и предъявили существенно более высокие, чем прежде, требования к точностям прогнозирования аэродинамических характеристик и условий теплового нагружения. Чуть позже много вопросов вызвало создание новой ОС «Мир» и др. В эти годы проходило строительство новой аэродинамической базы - комплекса «А». Были введены в строй крупномасштабные до- , транс- , сверх- и гиперзвуковые аэродинамические трубы третьего поколения У-3М, У-4М (1975 г.), У-21 (1985 г.), У-306-3 (1990 г.), газодинамическая барокамера У-22 объёмом 1000 м3 (1980 г.), комплекс электродуговых газодинамических установок 2-го поколения У-15Т1, У-15Т2, ТТ-1, ТТ-2 с мощностью подогревателей до 50 МВт (1977–1980 гг.), аналогов которому в стране нет. Работу всех этих установок обеспечивают специальная электропреобразовательная подстанция, турбоэксгаустерная станция (ТЭС) «Енисей» с суммарным объёмным расходом 900 м3, компрессорно-баллонные и газгольдерные станции и трубопроводная сеть сжатого воздуха давлением 11, 200, 320 ати, главная понизительная подстанция 110/10 кВ. Кроме того, в эти годы был введен в эксплуатацию ряд новых установок, в т.ч. – многоцелевая модельная баллистическая установка (МБУ) для отработки защиты КА и ОС от воздействия техногенных и метеороидных частиц со скоростями метания частиц до 7,5 км/с (1981 г.), газодинамическая установка У-13 ВЧП с высокочастотным индукционным нагревом газа для исследований влияния неравновесных физико-химических процессов и каталитичности, теплозащитных материалов на теплообмен в химически чистой воздушной плазме при натурных значениях основных параметров потока, характерных для высот полёта более 50 км (1982 г.), комплекс стендов для исследования эрозионных воздействий твердых и жидких частиц на материалы при скоростях соударения 100…1000 м/с (1985 г.). В 1980 г. проведена модернизация установок адиабатического сжатия на основе внедрения разработанного в институте метода многокаскадного неизэнтропического сжатия, в результате чего создан комплекс поршневых гиперзвуковых газодинамических установок ПГУ-7 и ПГУ-11.

После 1990 г. продолжается работа по совершенствованию экспериментальной базы центра теплообмена и аэрогазодинамики (ЦТА), расширению возможностей моделирования, повышению уровня автоматизации и информативности исследований. Значительно расширены возможности испытаний на таких установках, как У-13 ВЧП, У-306-3, МБУ, ПГУ и др., новое развитие получили измерительные средства (термовизионные, оптические, тензометрические и др.). Проводится модельная отработка большинства изделий отрасли, в том числе «Фобос-Грунт», «Электро-Л» и др. Подразделения ЦТА в эти годы участвовали в ряде международных проектов, в том числе таких, как «Гермес», демонстратор «Pre-X» (Франция), «Зенгер» (Германия), ASLV и PSLV (Индия), ВА «Шеньчжоу» (Китай), «Marsmicroprobe» (США), «Хоуп» (Япония) и др.

Совершенствуется методическое и программное обеспечение наземной отработки изделий на основе новых вычислительных технологий. Созданный на базе многопроцессорной вычислительной техники Центр параллельных вычислений (2005 г.) позволяет обеспечить имитационное моделирование процессов функционирования, максимально приближенных к натурным, включая отработку нештатных ситуаций.

Возможности и результаты работ

Центр располагает крупнейшей в России экспериментальной базой по отработке теплообмена и аэрогазодинамики изделий РКТ, многие испытательные установки и стенды которой являются уникальными и по своим характеристикам не уступают лучшим мировым аналогам. Балансовая стоимость основных средств – более 1,3 млрд. руб.

ЦНИИмаш обеспечил аэрогазодинамическую и тепловую отработку практически всех созданных в отрасли за 65 лет изделий ракетно-космической техники и располагает высококвалифицированными кадрами. В центре сейчас работает 11 докторов и 55 кандидатов наук, 10 действительных членов и 4 члена-корреспондента Российской академии космонавтики имени К.Э.Циолковского, 4 действительных члена и 2 члена-корреспондента Российской академии естественных наук. В настоящее время завершается аэродинамическая отработка РКН «Ангара», разворачиваются исследования в обеспечение создания стартовых комплексов для космодрома «Восточный», РН и пилотируемого корабля нового поколения, проводятся интересные исследования в области нанотехнологий, в частности, по созданию и совершенствованию плазменных технологий получения наноматериалов и нанесения нанопокрытий.

Источник: new.tsniimash.ru

Показать Скрыть карту