Відділ № 3. Відділ динаміки гідромеханічних і віброзахисних систем

Завідувач відділу – д-р техн. наук, ст. наук. співроб. Кваша Ю. О.

Область досліджень – динаміка рідинних ракетних двигунних установок; повздовжня стійкість рідинних ракет-носіїв космічних апаратів; розробка принципово нових демпферів поздовжніх коливань для забезпечення поздовжньої стійкості рідинних ракет-носіїв; динаміка віброзахисних систем; газодинаміка лопаткових машин; динаміка гідравлічних систем з кавітуючими елементами; розробка основ теорії й проектування приладів зниження рівня звуку пострілу – глушників для ручної вогнепальної зброї.

Динаміка рідинних ракетних двигунних установок

При певних умовах кавітація в шнековідцентрових насосах рідинних ракетних двигунних установок (РРДУ) може викликати самозбудні низькочастотні (від 4 до 50 Гц) автоколивання тиску і витрат компонентів палива в системах живлення РРДУ. Кавітаційні автоколивання заважають, а іноді унеможливлюють нормальне функціонування насосної системи живлення РРДУ при польоті ракети. Деякі аспекти проблеми кавітаційних автоколивань розглядалися як в колишньому СРСР, так і за кордоном (США, Японія, Франція та ін.). Співробітники відділу динаміки гідромеханічніх і віброзахисніх систем внесли визначальний внесок у вирішення проблеми кавітаційних автоколивань. Результати систематичних теоретичних та експериментальних досліджень низькочастотних кавітаційних автоколивань в насосних системах живлення РРДУ, виконаних співробітниками відділу, дозволили сформувати нові уявлення про динамічні процеси в таких установках. Було створено теорію низькочастотних кавітаційних автоколивань в насосних системах живлення РРДУ, яка дає можливість прогнозувати стійкість насосної системи живлення РРДУ по відношенню до кавітаційних коливань (а у разі втрати стійкості насосної системи – прогнозувати амплітуди, частоти і форми коливань) і проводити кількісний аналіз впливу конструктивних і режимних параметрів системи на кавітаційні автоколивання. Її вірогідність підтверджено задовільною збіжністю розрахункових і експериментальних частот кавітаційних коливань, меж областей стійкості в площині різних режимних параметрів насосної системи (наприклад, тиск рідини на вході в насос – витрата рідини через насос), динамічних характеристик шнековідцентрових насосів і систем живлення РРДУ, параметрів кавітаційних автоколивань в насосній системі. У зв’язку з цим вона використовується для вирішення широкого кола задач динаміки РРДУ і теоретичного дослідження повздовжньої стійкості рідинних ракет-носіїв (РН).

На основі цієї теорії розроблено ефективні способи і засоби усунення кавітаційних автоколивань в насосних системах живлення РРДУ, які впроваджені в ДП “КБ “Південне” і НВО “Енергомаш” (Росія).

Теорія кавітаційних автоколивань дозволила на якісно новому рівні підійти до вирішення задач лінійної і нелінійної динаміки РРДУ і ракети в цілому (визначення частотних характеристик і розрахунок процесу запуску рідинних ракетних двигунів (РРД), аналіз поздовжньої стійкості РН та оцінка амплітуд поздовжніх коливань корпусу ракети).

У 1995 р. в рамках контракту ІТМ НАНУ і ДКАУ з європейським об’єднанням European Rocket Engine Development and Production Amalgamation (SEP) були виконані теоретичні дослідження кавітаційних автоколивань в системі живлення рідким киснем РРД VULCAIN (що розроблявся для ракети-носія ARIAN-5), які виникли при його автономних випробуваннях. З теоретичних позицій було пояснено експериментально визначену втрату стійкості вказаної системи живлення та обгрунтовано ефективність заходів, спрямованих на усунення кавітаційних автоколивань.

Сформовано вимоги по наближенню стендових умов випробувань РРД до натурних випробувань в частині гідродинаміки живильних магістралей.

Виконано математичне моделювання спільних поздовжніх і поздовжньо – згинальних коливань конструкції живильних трубопроводів і рідини в гідравлічних системах із кавітуючими насосами РРДУ. Розроблено лінійну і нелінійну математичні моделі спільних поздовжніх коливань конструкції прямолінійного трубопроводу і рідини. Розроблені математичні моделі дозволяють проводити дослідження стійкості гідравлічних систем із кавітуючими насосами РРДУ по відношенню до кавітаційних коливань і визначати параметри кавітаційних автоколивань.

Чисельне дослідження стійкості низькочастотних процесів у РРДУ і визначення причин коливань в двигуні є невід’ємною частиною робіт при розробці РРД. Можливість реалізації різних механізмів втрати стійкості робочого процесу в РРДУ вимагає розробки досить докладної математичної моделі низькочастотної динаміки РРД. При моделюванні низькочастотних процесів у РРД із допалюванням генераторного газу необхідно враховувати кавитаційні явища в насосах, зворотні зв’язки між коливальними процесами в газогенераторі і насосах, неізотермічність процесів в газогенераторі і газоводах, часові затримки газоутворення, динамічні процеси в регуляторі витрати. На основі сучасних уявлень про динаміку РРД із допалюванням генераторного газу розроблено математичні моделі динамічних процесів в елементах перспективного маршового РРД зазначеного типу при запуску. Виконано математичне моделювання процесу запуску маршового РРД. Встановлено, що урахування запізнень в математичній моделі низькочастотної динаміки газогенератора і газовода РРД із допалюванням генераторного газу суттєво впливає на перехідні процеси в двигуні при його запуску. Показано, що урахування кавітації в насосах двигуна помітно підвищує вірогідність результатів математичного моделювання процесу запуску маршового РРД.

Розроблено методику для визначення параметрів руху границі розділу газового і рідкого середовища в порожнинах паливних баків сучасних космічних ступенів рідинних ракет-носіїв в умовах мікрогравітації (в період між запуском і вимиканням маршових двигунів космічних ступенів) із урахуванням конструктивних особливостей внутрібакових пристроїв забезпечення суцільності рідких компонентів палива. Розроблена методика протестована із залученням експериментальних даних, отриманих для модельного бака в “кидковій вежі”. Використання цієї розробки дозволить на етапі проектування маршової РРДУ оцінити ефективність внутрібакових пристроїв для виключення проникнення газу наддуву на вхід у двигун в неприпустимих для його запуску кількостях.

Повздовжня стійкість рідинних ракет-носіїв

Розробники багатоступеневих рідинних ракет-носіїв в Україні, Росії, США, Франції та інших країнах неминуче стикаються із проблемою забезпечення поздовжньої стійкості РН. Ця проблема вимагає свого аналізу і рішення при розробці нових і модернізації існуючих РН в кожному конкретному випадку. Необхідність її теоретичного вирішення обумовлена тією обставиною, що факт стійкості (або втрати стійкості) рідинних РН неможливо визначити експериментально в наземних умовах, він може бути встановлений тільки при льотно-конструкторських випробуваннях РН. Усунення поздовжніх коливань РН, виявлених при проведенні таких натурних випробувань, або зниження амплітуд цих коливань до безпечного рівня вимагає значних матеріальних і фінансових витрат. Для виключення таких витрат необхідно вже на початкових етапах розробки або модернізації ракет проводити максимально можливий обсяг розрахункових досліджень поздовжньої стійкості конкретної РН на основі математичних моделей, які найбільш повно описують динамічні процеси в рідинних РН.

ІТМ НАНУ і ДКАУ займає провідні позиції в Україні та за кордоном в наукових дослідженнях, спрямованих на вирішення різних проблем динаміки рідинних РН і їх підсистем, в тому числі, проблеми забезпечення поздовжньої стійкості багатоступеневих рідинних РН. Вченими відділу розвинено лінійну теорію поздовжньої стійкості рідинних РН і створено нелінійну теорію поздовжніх коливань рідинних РН, які не мають аналогів в Україні і за кордоном. Найважливішою складовою в цих розробках стало урахування кавітації в насосах РРДУ на базі створеної у відділі теорії низькочастотних кавітаційних автоколивань в насосних системах живлення РРДУ. Завдяки такому урахуванню кавітації ці розробки дозволяють виконувати достовірні прогнози поздовжньої стійкості рідинних РН.

У світовій практиці аналіз поздовжньої стійкості рідинних РН виконується лише в лінійній постановці із використанням результатів попередньо проведених дорогих експериментальних робіт. Він базується на дослідженні лінійної динамічної системи “РРДУ – корпус РН”, яка описує взаємодію поздовжніх коливань корпусу РН та низькочастотних процесів у РРДУ, і при цьому прогнозується сам факт стійкості або втрати стійкості системи.

При розвитку лінійної теорії поздовжньої стійкості рідинних РН отримано наступні важливі науково-методичні розробки.

• Розроблено методику прогнозування динамічних характеристик РРД по каналах поздовжньої стійкості рідинних РН з урахуванням явищ кавітацій в шнековідцентрових насосах, яка дозволяє достовірно прогнозувати динамічні характеристики РРД. Таке прогнозування займає центральне місце в теоретичному аналізі поздовжньої стійкості рідинних РН. На рисунку продемонстровано, що урахування явищ кавітацій в насосах в математичній моделі динаміки двигуна РД-170 дозволило отримати задовільне узгодження розрахункових і експериментальних динамічних характеристик цього двигуна.

• Запропоновано метод перенесення граничних умов для розрахунку амплітудно-фазових частотних характеристик систем живлення РРДУ, що узагальнює імпедансний метод на випадок багатовимірних і розподілених зовнішніх дій.
• Розроблено методику багатокритеріальної оптимізації осьових шнекових переднасосів РРД і демпферів поздовжніх коливань, що дозволяє визначати прийнятні запаси поздовжньої стійкості рідинних РН.
• Розроблено методику аналізу взаємодії поздовжніх коливань корпусу РН та низькочастотних процесів у маршовій РРДУ при польоті рідинної РН. Методика дозволяє визначити комплексні власні частоти і форми коливань багатоконтурної динамічної системи “РРДУ – корпус РН” і її підсистем; діагностувати стійкість даної системи по відношенню до різних видів низькочастотних коливань; досліджувати вплив окремих підсистем на параметри коливального процесу в багатоконтурній системі, в тому числі при багаточастотній нестійкості цієї системи.
• Розроблено методику визначення характеристик власних поздовжніх коливань (власних частот, форм, узагальнених мас і декрементів) корпусу багатоступеневих рідинних РН із урахуванням дисипації енергії коливань елементів конструкції і рідкого палива в паливних баках.
• З використанням методу скінченних елементів і сучасних обчислювальних засобів розроблено методику теоретичного прогнозування динамічних навантажень на конструкції верхніх ступенів рідинних РН зі складною просторовою конфігурацією паливних відсіків і космічних апаратів (КА) в процесі виведення їх на робочі орбіти. Методика дозволяє отримати кількісні оцінки впливу особливостей конструкції паливного відсіку верхнього ступеня ракети-носія (сполучення поверхонь оболонкових конструкцій його баків, наявність в баках додаткових циліндричних вставок) на параметри власних поздовжніх коливань ступені. Ця методика не має аналогів в Україні і є основою для виконання теоретичних прогнозів динамічних навантажень на конструкції верхніх ступенів рідинних РН і КА в процесі виведення їх на робочі орбіти.

Протягом ряду років у відділі проводилися дослідження, спрямовані на одержання фундаментальних уявлень про закономірності виникнення та розвитку поздовжніх коливань рідинних РН, що розглядаються як багатомірні нелінійні нестаціонарні системи “РРДУ – корпус РН”. Було створено нелінійну теорію поздовжніх коливань рідинних РН, яка дає можливість визначити величини амплітуд поздовжніх коливань рідинних РН. Зрештою, саме величини амплітуд поздовжніх коливань рідинних РН повинні служити базою для ухвалення рішень про спеціальні заходи щодо забезпечення поздовжньої стійкості рідинних РН. При створенні нелінійної теорії поздовжньої стійкості рідинних РН отримано наступни основні науково-методичні розробки.

• Вивчено основні нелінійності ланок динамічної системи “РРДУ корпус РН” і їх вплив на обмеження амплітуд поздовжніх коливань. Показано, що найбільш суттєвими нелінійностями, що обмежують амплітуди поздовжніх коливань, є нелінійності характеристик РРД і, перш за все, характеристик, пов’язаних з кавітаційними явищами в шнековідцентрових насосах.
• Розроблено методику наближеного визначення амплітуд поздовжніх автоколивань в нелінійній системі “РРДУ – корпус РН” із “замороженими” коефіцієнтами, яка заснована на використанні методів гармонійної лінеаризації. Методика дозволяє визначати амплітуди коливань, які можуть служити верхньою оцінкою амплітуд поздовжніх коливань нелінійної нестаціонарної системи “РРДУ – корпус РН”.
• Розроблено методику розрахунку перехідних процесів і сталих рухів в системі “РРДУ – корпус РН” з ієрархією характерних часів і гладкими нелінійностями, що заснована на розділенні рухів в “швидкій” підсистемі (РРДУ) і в “повільній” підсистемі (пружний корпус РН) і використанні методів усереднювання, гармонійного балансу і продовження по параметру.
• Виконано дослідження впливу демпфірування коливань рідкого палива в баках і пружних коливань конструкції корпусу РН на її поздовжню стійкість і можливості забезпечення поздовжньої стійкості РН шляхом збільшення демпфірування окремих динамічних ланок її корпусу.
• Розроблено нові ефективні способи і засоби усунення поздовжніх коливань рідинних РН: запропоновано і експериментально відпрацьовано принципово нові демпфери повздовжніх коливань рідинних РН, які не містять рухомих частин, елементів автоматики і є більш ефективними в порівнянні із газорідинними демпферами; обгрунтовано можливості забезпечення поздовжньої стійкості рідинних РН без установки демпферів поздовжніх коливань, наприклад, за рахунок вибору параметрів і зміни конструкцій шнекових переднасосів насосів маршових двигунів перших ступенів рідинних РН.

На основі розвиненої лінійної теорії поздовжньої стійкості рідинних РН і створеній нелінійній теорії поздовжніх коливань рідинних РН розроблено ефективні методики аналізу поздовжньої стійкості РН, які не мають аналогів в Україні та за кордоном. Зазначені методики були використані для теоретичного аналізу поздовжньої стійкості РН різного призначення, створених в ДП “КБ “Південне” та інших організаціях колишнього СРСР. Отримані результати розрахунків дозволили прийняти ефективні практичні заходи щодо забезпечення поздовжньої стійкості цих РН.

Співробітники відділу активно брали участь у науково-технічному супроводженні розробки РН “Зеніт” і її модифікацій, і, насамперед, у вирішенні проблеми забезпечення поздовжньої стійкості РН “Зеніт”. Цей напрям діяльності відділу був пріоритетним на всіх етапах розробки РН. Було виконано великий обсяг робіт по теоретичному аналізу поздовжньої стійкості РН “Зеніт” на різних етапах ії створення і зроблено відповідні технічні пропозиції, які були реалізовані.

У 1981 році в стислі терміни було проведено аналіз поздовжньої стійкості бойової рідинної ракети, яку було розроблено під керівництвом академіка В. М. Челомея. З теоретичних позицій було пояснено втрату поздовжньої стійкості ракети при проведенні її пусків на максимальну дальність. Слід зазначити, що результати розрахунків, виконаних для даної ракети, продемонстрували принципову важливість урахування явищ кавітації в насосах РРДУ при теоретичному аналізі поздовжньої стійкості. Були видані відповідні рекомендації по ефективному усуненню повздовжніх коливань достатньо простим способом, який не вимагає розробки спеціальних заходів по стабілізації ракети.

Проведено математичне моделювання поздовжніх коливань ракет РС-20 та 11К68, Отримано задовільне узгодження розрахункових і експериментальних значень амплітуд поздовжніх коливань цих ракет на активній частині їх польоту під час роботи РРДУ першого ступеня.

Виконано теоретичні прогнози поздовжньої стійкості ракет космічного призначення (РКП) “Зеніт-2SL” і “Зеніт-3SL” (в рамках програми “Морський старт”), “Зеніт-2SLБ” і “Зеніт-3SLБ” (в рамках програми “Наземний старт”). Слід зазначити, що теоретичний прогноз поздовжньої стійкості РКП “Зеніт-2SLБ” і РКП “Зеніт-3SLБ” було проведено в інтересах Національного космічного агентства України і за рішенням Ради Головних конструкторів в ДП “КБ “Південне”. Розроблено практичні рекомендації щодо забезпечення поздовжньої стійкості зазначених РКП. Результати теоретичних прогнозів були підтверджені даними льотно-конструкторських випробувань РКП.

Проведено теоретичний аналіз динамічних властивостей ракети космічного призначення (РКП) “Антарес”, яка розроблялась за завданням Orbital Sciences Corporation (США). Головна конструкція першого ступеня ракети розроблялась у конструкторському бюро “Південне” і виготовлялась на Південному машинобудівному заводі ім. О.М. Макарова у співпраці з низкою інших українських підприємств. В результаті виконаного аналізу була встановлена можливість втрати поздовжньої стійкості РКП “Антарес” та запропоновано практичні рекомендації щодо забезпечення її поздовжньої стійкості, які були реалізовані компанією Orbital Sciences Corporation. В останні роки було проведено ряд успішних запусків РКП “Антарес”.

Виконано теоретичний прогноз поздовжньої стійкості РКП “Циклон-4” і динамічних навантажень на конструкції ракети і КА на активній частині польоту під час роботи РРДУ першого ступеня.

Сформовано науково-методичне забезпечення та виконано теоретичний прогноз поздовжньої стійкості нових рідинних ракет космічного призначення на етапі їх ескізного проектування: ракет тандемної схеми компонування “KSLV-II” та “Маяк Л3.0” (легкого класу), ракети пакетної схеми компонування “Маяк Т3.0” (важкого класу). Визначено основні параметри системи демпфірування поздовжніх коливань для забезпечення поздовжньої стійкості ракет на активній частині польоту. Розроблено та направлено до ДП “КБ “Південне” практичні рекомендації щодо вирішення проблеми забезпечення поздовжньої стійкості цих ракет.

Розробка принципово нових демпферів поздовжніх коливань для забезпечення поздовжньої стійкості рідинних РН

Вперше у світовій практиці ракетобудування для важких і надважких рідинних РН створено принципово нові перспективні класи малогабаритних демпферів поздовжніх коливань – гідродинамічних і термодинамічних, ефективність яких істотно вище, ніж у газорідинних демпферів.

• У гідродинамічному демпфері для отримання необхідної для забезпечення поздовжньої стійкості РН великої податливості використовується явище суперкавітаціі, а в термодинамічному демпфері – термодинамічні ефекти в двофазному парорідинному середовищі поблизу лінії насичення. Гідродинамічний демпфер пройшов повний цикл експериментального відпрацювання, був встановлений на РН “Зеніт” і забезпечив її поздовжню стійкість.
• Розроблено і створено стенд “Демпфер-М” для динамічних випробувань демпфуючих пристроїв, системи якого моделюють умови роботи демпфера, у тому числі і на кріогенній рідині.

Виконано цикл теоретичних і експериментальних досліджень динаміки нерівноважних термодинамічних процесів випаровування рідини і конденсації пари в двофазних парорідинних потоках. Отримані результати дозволили зробити висновок про доцільність використання динамічних властивостей двофазних парорідинних середовищ для розробки і створення принципово нових високоефективних засобів віброзахисту різних технічних об’єктів і систем.

Центр коллективного користування

Відповідно до Розпорядження Президії НАН України від 27.03.08 № 174 з метою найбільш раціонального використання унікального наукового обладнання в Інституті технічної механіки створено Центр колективного користування. Головною задачею Центра є надання науковцям НАН України можливості проведення досліджень на обладнанні, що обслуговується кваліфікованим персоналом.

До складу обладнання Центра входить унікальний стенд, призначений для проведення статичних, динамічних і випробувань на міцність матеріалів, конструкцій і механічних систем, сервогідравлічна установка “HYDROPULS” компанії INSTRON SCHENK TESTING SYSTEMS (Німеччина). Стенд “Hydropuls” дозволяє проводити дослідження випробуваного об’єкта в широкому амплітудно-частотному діапазоні гармонійних коливань, детермінованому й випадковому впливі, що збуджує. Частотний діапазон впливу, що збуджує, – від 0,05 Гц до 80 Гц. Випробуваний об’єкт може мати масу до 3200 кгс при динамічному навантаженні й до 4000 кгс при статичному навантаженні на нього.

Динаміка віброзахисних систем

• Запропоновано нову пневматичну систему захисту КА “Січ-2М” від поздовжніх вібраційних навантажень при його виведенні на робочі орбіти. Дана система віброзахисту відноситься до типу автономних систем пасивної дії і не пов’язана з системою управління РН. Основним складовим елементом системи віброзахисту є пружно-дисипативний модуль. Для забезпечення одновимірного руху конструкції системи віброзахисту уздовж поздовжньої осі РН використовуються напрямні елементи. Виконано математичне моделювання низькочастотної динаміки системи віброзахисту з КА. Показано, що установка віброзахисної системи між верхнім ступенем РН і КА забезпечує зниження рівня поздовжніх вібраційних навантажень на КА “Січ-2М” в частотному діапазоні від 5 Гц до 100 Гц в два рази і більше, що задовольняє вимогам Технічного завдання. Установка запропонованої системи віброзахисту космічного апарату на ракетах-носіях дозволить помітно розширити можливості щодо виведення на робочі орбіти космічних апаратів різного призначення і підвищити конкурентоспроможність ракет-носіїв на світовому ринку космічних послуг.
• Розроблено основи теорії і проектування принципово нових високоефективних термодинамічних і пневматичних віброзахисних систем з квазінульовою жорсткістю на робочій ділянці статичної характеристики. Запропоновані конструкції віброзахисних систем дозволяють забезпечити наднизьку власну частоту коливань і не вимагають установки гідравлічного амортизатора для розсіяння енергії коливань.

• Розроблено конструкцію віброзахисної системи для крісл операторів транспортних засобів різного призначення для захисту від ударних і знакозмінних навантажень, що виникають при русі. Виготовлено дослідні зразки таких крісл, проведені іх статичні та динамічні випробування. Встановлено, що розроблені віброзахисні системи за своїми статичними і динамічними характеристиками (квазінульова жорсткість на робочій ділянці статичної характеристики, власна частота коливань об’єкта, що захищається) цілком задовольняють вимогам європейських стандартів і не поступаються кращим світовим аналогам пасивних, напівактивних і активних віброзахисних систем. На рис. представлені амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) систем віброзахисту розробки ІТМ НАНУ і ДКАУ, пасивної, напівактивної (VRS) і активної (E-VRS) фірми Searc (США). Видно, що система віброзахисту розробки ІТМ НАНУ і ДКАУ володіє кращими динамічними характеристиками. На рис. показано крісло розробки ІТМ НАНУ з системю віброзахисту і можливі варіанти його використання.

Розроблено конструкцію і виготовлено експериментальні зразки нових пневматичних підвісок автомобіля (див. рис), які після визначення статичних і динамічних характеристик встановлені на серійний автомобіль, і проведено ходові випробування. Зниження власної частоти коливань підресореної маси автомобіля з новими підвісками забезпечило зниження сприйнятливості людини до коливань у 3 рази для асфальтобетонних доріг і в 6 разів для доріг з булижно-асфальтовим покриттям.

Характеристики нових пневматичних підвісок задовольняють вимогам плавності ходу і стійкості руху автомобіля високого класу. Вартість цих підвісок порівняльна з вартістю традиційних підвісок, виготовлених на основі металевих пружних елементів і гідравлічних амортизаторів.

Динаміка гідравлічних систем з кавитуючими місцевими гідравлічними опорами

• Виконано систематичні теоретичні та експериментальні дослідження високочастотних високоамплітудних коливань тиску рідини в гідравлічних системах з кавітуючими місцевими гідравлічними опорами. Розроблено принципово новий генератор коливань тиску рідини – кавітаційний генератор коливань, який дозволяє перетворити стаціонарний потік рідини на вході в генератор в пульсуючий високочастотний високоамплітудний потік на виході з нього. Генератор коливань не містить рухомих частин і не вимагає підведення додаткової енергії. Досліджено можливості використання таких пульсуючих потоків рідини для створення нових перспективних, високопродуктивних, екологічно чистих технологічних процесів в різних галузях промисловості: емульгування, диспергування, очищення поверхонь, буріння свердловин. Технологічні розробки захищені більш ніж тридцятьма авторськими свідоцтвами.
• Розроблена імпульсна кавітаційна установка для диспергування різних суспензій. Установка пройшла промислові випробування на Дніпропетровському лакофарбовому заводі в цеху приготування паст водно-дисперсійних фарб і на Кримському ПГО “Титан” в цеху виробництва двоокису титану. Установка дозволила замінити дороге імпортне устаткування, забезпечити необхідний ступінь дисперсності суспензій і зменшити в 4 – 6 разів питому витрату електроенергії на виготовлення одиниці продукції.
• Створено установки гідрозбиву окалини пульсуючими струменями при гарячій прокатці металу, які впроваджені на Виксунському металургійному заводі, Орсько-Халіловському і Коммунаровському металургійних комбінатах, заводі “Запоріжсталь”. Установки дозволяють в 2 – 5 разів зменшити брак металу (внаслідок запресовки окалини) в порівнянні з установками, що використовують стаціонарні струмені.
• Проведено дослідження кавітаційного витікання високонапірного гідроабразивного пульсуючого струменя і умов його формування дозволили розробити і впровадити в практику перспективні технології і установки для кавітаційно-імпульсної гідроабразивної обробки (КІГАО) різних поверхонь, зокрема металевих поверхонь ракетних конструкцій. Схемно-технічні вирішення КІГАО засновані на більш ніж 25 винаходах.

Проведено чисельне моделювання нестаціонарної течії рідини в гідравлічній системі з кавітуючими єлементамі на основі математичної моделі, що включає повні рівняння Нав’є – Стокса і баротропного рівняння стану парорідинної суміші. Розрахунковим шляхом відтворено режими кавітаційних автоколивань у зазначеній гідравлічній системі. Отримано задовільне узгодження розрахункових і експериментальних значень частот і амплітуд кавітаційних автоколивань. Результати чисельного моделювання дозволяють розширити існуючі уявлення про явище генерації високочастотних коливань тиску рідини в гідравлічних системах з кавітуючими місцевими гідравлічними опорами. Вони мають також практичне значення при створенні нових і інтенсифікації існуючих технологічних процесів в різних галузях промисловості на основі використання пульсуючих кавітаційних потоків рідини.

Важливим науковим напрямком робіт, виконуваних у відділі, є вирішення проблеми подрібнення твердих речовин в рідкому середовищі на основі досліджень гідродинаміки нових технічних пристроїв з кавітуючими елементами. Розроблено та створено експериментальну кавітаційно-імпульсну установку для отримання тонкодисперсних середовищ, яка призначена, в першу чергу, для приготування водовугільного палива шляхом подрібнення вугілля – головного енергоресурсу України та вугільних шламоконцентратів. Удосконалено технічні пристрої, що реалізують процес кавітаційно-імпульсного подрібнення твердих речовин і забезпечують його ефективність. Виконані роботи спрямовані на створення екологічно чистої технології підготовки та спалювання водовугільної суміші – важливої енергозберігаючої технології, впровадження якої сприятиме зменшенню залежності від зовнішніх поставок енергоносіїв. Технологія дозволить значно зменшити енерговитрати при виготовленні тонкодисперсних середовищ в порівнянні з іншими способами подрібнення. Отримані науково-технічні рішення, розроблені технології і створені кавітаційно-імпульсні установки можуть бути використані в багатьох галузях промисловості України, де необхідне застосування тонкодисперсних середовищ. Поряд з виготовленням водовугільного палива до таких галузей належать харчова галузь, лакофарбове виробництво, порошкова металургія та ін.

Створення екологічно чистої технології підготовки й спалювання тонкодисперсного водовугільного палива.

• Запропоновано принципово нову технологію одержання тонкодисперсного водовугільного палива (ВВП). Розроблено експериментальну кавітаційно-імпульсну установку, у якій інтегровані новий кавітаційно-імпульсний диспергатор (система кавітаційно-імпульсних генераторів коливань) і система подачі палива на форсунку пальникового пристрою теплового котла (див. рис.). Установка дозволяє використовувати для приготування ВВП вугільні шламоконцентрати й вугілля різних марок із фракційним розміром часток класу 0 – 3,0 мм. Запропонована кавітаційно-імпульсна технологія отримання водовугільного палива не має аналогів і дозволяє одержати водовугільне паливо з концентрацією вугілля більше 70% і ступенем дисперсності 90% менш 50 мкм при значному (у кілька разів) зменшенні питомих енерговитрат на виробництво одиниці продукції в порівнянні із традиційними технологіями, що базуються на застосуванні кульових і бісерних млинів.
• Для ефективного факельного спалювання водовугільного палива розроблено, виготовлено й експериментально відпрацьовано спеціальний пальниковий пристрій для теплового котла, що включає оригінальну конструкцію форсунки розпилу водовугільного палива, систему подачі первинного повітря й регульовану систему подачі вторинного повітря з попереднім підігрівом до 700оС. Натурні випробування пальникового пристрою в режимі тривалого факельного горіння показали високу його ефективність у частині повноти згоряння водовугільного палива, отриманого як на основі вугілля, так і на основі шламоконцентрату.

• Видано практичні рекомендації з модернізації теплових котлов “серії Е” для розробки технологічного регламенту їхнього переведення з технології спалювання газу або мазуту на технологію спалювання водовугільного палива.
• Екологічно чиста технологія приготування й спалювання тонкодисперсного водовугільного палива є найважливішою енергозберігаючою технологією, що істотно підвищує ефективність використання паливних ресурсів України.

Газодинаміка лопаткових машин

• Проблема підвищення якості аеродинамічного проектування елементів авіаційних газотурбінних двигунів (ГТД) є актуальною як для України, так і для інших країн – розроблювачів авіаційної техніки. Основним шляхом вирішення указаної проблеми є використання сучасних ефективних наукових розробок. У зв’язку із цим було розроблено науково-методичне забезпечення, що немає аналогів в Україні, для вирішення задач аеродинамічного вдосконалювання форми лопаткових вінців компресорів ГТД у двовимірній і тривимірній постановках. Дане забезпечення було використано на одному з підприємств – розробників авіаційних двигунів – в ДП “Івченко – Прогрес” (м. Запоріжжя), що є одним з ведучих підприємств у світі, при проектуванні і доведенні вхідного пристрою, робочих коліс вентилятора і відцентрових ступенів компресорів ГТД. Це дозволило у ряді випадків скоротити терміни створення зразків авіаційної техніки (які в даний час випускаються серійно) за рахунок достатньо точного прогнозу ступеня аеродинамічної досконалості форми міжлопаткових каналів осьових і відцентрових компресорних ступенів на ранніх етапах проектування.
• Розроблено основні складові оригінального науково-методичного забезпечення для чисельного розв’язання обернених задач газодинаміки лопаткових вінців компресорів авіаційних газотурбінних двигунів з використанням сучасних методів чисельного моделювання трансзвукових нев’язких газових течій. Ця розробка матиме ключове значення у вирішенні актуальної для держав – розробників авіаційних двигунів проблеми аеродинамічного проектування лопаткових вінців компресорів.
• На основі комплексного підходу з використанням моделей течії газу різного рівня вирішено актуальну задачу аеродинамічної оптимізації профілів решіток. Отримані результати можуть бути використані при аеродинамічному проектуванні вінців лопаток компресорів авіаційних ГТД.
• Розроблено програмно-методичне забезпечення для розрахунку турбулентного примежового шару і прогнозування його відриву на профілях компресорних решіток” Дане забезпечення передано в ДП “Івченко – Прогрес” для використання на етапі аеродинамічного проектування лопаткових вінців компресорів авіаційних ГТД.

• Розроблено програмно-методичне забезпечення і виконано розрахунок напружено-деформованого стану лопатки компресорного вінця з використанням платформи чисельного моделювання OpenFOAM.
• Розвинено сучасні методи аеродинамічного удосконалення форми міжлопаткових каналів компресорів авіаційних ГТД на основі чисельного моделювання просторових турбулентних потоків газу.

Результати розробок використовувалися і в подальшому можуть бути використані в ДП “Івченко – Прогрес” при оптимізації лопаткових вінців компресорів авіаційних газотурбінних двигунів на етапі їх проектування.

Проблема інтенсифікації процесу буріння в твердих породах

Проблема інтенсифікації процесу буріння в твердих породах є актуальною не тільки в Україні і країнах СНД, але і в США, Канаді, Норвегії і інших країнах. Виконано теоретичні і експериментальні дослідження можливості реалізації одного з найбільш перспективних способів вирішення цієї проблеми – способу створення осьових динамічних навантажень (повздовжніх віброприскорень) на обертальному породоруйнівному інструменті бурового снаряда за допомогою оригінального, що не має аналогів, кавітаційного гідровібратора, розробленого у відділі. Високочастотний гідровібратор не містить рухомих частин, що обертаються, не вимагає перенастроювання по глибині і підведення додаткової енергії (використовує тільки частину енергії потоку промивальної рідини в буровому снаряді). Простота конструкції і експлуатації гідровібратора істотно підвищує надійність функціонування бурового снаряда з кавітаційним гідровібратором.

Розробка основ теорії й проектування приладів зниження рівня звуку пострілу (ПЗРЗП) – глушників для ручної вогнепальної зброї.

Виконано роботи зі створення приладів зниження рівня звуку пострілу – глушників для легкої вогнепальної зброї калібру 5,45 – 12,7 мм.

Розроблено програмно-методичне забезпечення для розрахунку характеристик газового потоку в ПЗРЗП, що дозволяє проводити вибір і розрахунок конструктивних схем приладів, які забезпечують найбільшу ефективність зниження рівня звуку пострілу.

ПЗРЗП призначені для усунення травматизму органів слуху стрілка, зменшення звукової помітності, подавлення спалаху пострілу, зменшення віддачі, підвищення точності і кучності при стрільбі в умовах виконання бойових операцій, а також навчальних і тренувальних стрільб, зменшення забрудненості навколишнього середовища.

Створені прилади мають переваги в порівнянні з аналогами за основними експлуатаційними характеристиками.

Виконано аналіз ефективності ПЗРЗП в залежності від кількості камер і їх розташування, кількості отворів, їх конфігурації.

Проведено експериментальні дослідження для виявлення газодинамічної картини потоку в порожнині ПЗРЗП за допомогою оптичних засобів візуалізації.

Розроблено спосіб визначення ефективності зниження рівня звуку пострілу ПЗРЗП з використанням стисненого газу і установка для його реалізації.

Розроблено та затверджено технічні умови на ПЗРЗП ТУ У 88.057.004-98 і ТУ У 88.057.005-98, програми і методики випробувань, вимірювань параметрів.

Розробка і випробування ПЗРЗП проводилися спільно з НВФ “ІМКАС” і підрозділами СБ України та МВС України, а також з вітчизняними виробниками стрілецької зброї.

Прилади зниження рівня звуку пострілу мають такі переваги в порівнянні з відомими аналогами:

– виготовлення приладів з корозійностійкої сталі, алюмінію і титану;

– ресурс – не менше 10 тисяч пострілів, що відповідає ресурсу ствола зброї;

– можливість застосування в будь-яких умовах експлуатації;

– відсутність впливу на швидкість кулі;

– можливість ведення стрільби надзвуковими патронами як одиночними пострілами, так і автоматичним вогнем;

– ефективність зниження рівня звукового тиску не менше 25 – 34 дБ.

За результатами розробки конструкцій ПЗРЗП і проведення досліджень видано монографія і підручник для підготовки фахівців, опубліковано 36 статей в науково-технічних журналах, робота представлена 4 доповідями на Міжнародних науково-технічних конференціях. Конструкції ПЗРЗП захищені 29 патентами України.

Виготовлені прилади використовуються в силових структурах Украіни.

Монографія “Ручное огнестрельное оружие бесшумного боя. Приборы снижения уровня звука выатрела для автоматов. Проектирование и экспериментальная отработка” (ІТМ НАН України і НКА України, м Дніпропетровськ, 2008. – 303 с).

Матеріали розробок використовуються в навчальному процесі Дніпропетровського національного університету ім. О. Гончара. Видано підручник “Безшумна автоматична вогнестрільна зброя” (Дніпропетровськ, Інститут технічної механіки НАН України і НКА України: АРТ-ПРЕС, 2011. – 346 с.)

Основні результати досліджень опубліковані в численних статтях і монографіях, з яких найбільш фундаментальними є:

1. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания и динамика гидросистем / В.В. Пилипенко, В.А. Задонцев, М.С. Натанзон. – М. : Машиностроение, 1977. – 352 с.
2. Пилипенко В.В. Кавитационные автоколебания / В.В. Пилипенко. – Киев : Наукова думка, 1989. – 316 с.
3. 3. Коновалов Н.А., Пилипенко О. В., Скорик А.Д., Кваша Ю.А., Коваленко В.И. Ручное огнестрельное оружие безшумного боя. Днепропетровск: Изд-во Ин-та техн. механики НАН Украины и ГКА Украины, 2008. 303 с.

Роботи учених відділу були удостоєні Державної премії СРСР в галузі науки і техніки (1990 р.), Державної премії України в галузі науки і техніки (1997 р. і 2005 р.), премій НАН України ім. М. К. Янгеля (1983 р., 1989 р., 1998 р. і 2016 р.) і премії НАН України ім. О. К. Антонова (2004 р.).

СЛУЖБОВА АДРЕСА:	Інститут технічної механіки, вул. Лешко-Попеля, 15 49005, м. Дніпро, Україна
НОМЕР ТЕЛЕФОНУ:	+38-056-372-06-50
E-MAIL:	Office.itm@nas.gov.ua