ЭС: НИИ механики

Н.Н. Бухгольц, Н.Е. Жуковский и Е.Н. Жуковская у большой трубы Московского университета

Большая аэродинамическая труба в вестибюле Аудиторного корпуса Московского университета

Атомный проект стал мощным катализатором развития всех сторон естественнонаучного сектора. Стране массово требовались высококвалифицированные кадры. Историческим постановлением Совета министров СССР №803 от 15 марта 1948 г. было принято решение о строительстве новых зданий университета на Ленинских горах, предназначенных в первую очередь для естественнонаучных факультетов. Последующая подготовка к переезду повлекла реорганизацию и ликвидацию профильных научных институтов, в том числе и Института механики (1953).

План развития новой территории предусматривал создание при отделении механики механико-математического факультета лабораторного комплекса, содержащего значительное количество современного научного оборудования. Специальный трёхэтажный корпус с площадью рабочих помещений 8000 м² был введён в строй значительно позже других объектов – в 1960 г., что во многом объяснялось трудностями промышленных предприятий при изготовлении нестандартных узлов и оборудования. Проблемы теории механизмов, гидромеханики, теории упругости, аэродинамики, пластичности и других разделов механики решались с помощью крупных установок, в числе которых находились аэродинамические и гидродинамические трубы с параметрами, соответствующими задачам современной авиации и реактивной техники; гидродинамический канал; установки для испытания материалов и конструкций, стенды для исследования систем автоматического регулирования. Мощная лабораторная база дала основание ректору И.Г. Петровскому поставить вопрос об организации специального научного института:

 

Активную роль в определении первых научных направлений и разработке проектов оборудования лабораторий сыграли учёные, работавшие на переднем крае науки – А.А. Ильюшин, А.Ю. Ишлинский, Г.И. Петров, Ю.Н. Работнов, Х.А. Рахматулин, Л.И. Седов, Г.Г. Чёрный. Их ученики и единомышленники, развивая и расширяя научную тематику, поддерживают высокую научную планку исследований и формируют современный Институт механики как крупный исследовательский центр.

Задачи, требующие решения, составили три основных цикла – механику жидкости и газа; механику деформируемого твёрдого тела; прикладную механику (в первую очередь телемеханику и автоматику). В области аэро- и гидромеханики выдвигались: исследование обтекания тел сверхзвуковым потоком; изучение турбулентного движения; исследование пограничного слоя и теплообмена в применении к скоростной авиации и реактивной технике; гидродинамика разреженного воздуха в связи с проблемой полёта на высотах 50–100 км и космического полёта; исследование движения газов в решётках и каналах при больших скоростях применительно к теории газовых турбин; движение тел в жидкости с большими скоростями и удар о воду; фильтрация жидкостей в пористых средах в связи с задачами нефтепромысловой механики.

В тесной связи с этим направлением выступали прочность и пластичность материалов, конструкций машиностроения, транспорта, строительных сооружений в реальных условиях работы; прочность жаропрочных сплавов в условиях высоких температур в связи с задачами реактивной авиации и турбостроения; прочность тонкостенных конструкций самолётов и ракет в условиях вибрации, ударных нагрузок, высоких температур; проблема взаимодействия конструкций с газовым потоком применительно к прочности самолётов и реактивных двигателей; действие взрыва на сооружения; ставилась задача разработки теории технологических процессов обработки металлов давлением при нормальных и высоких температурах.

Приоритет в области прикладной механики имели задачи по обеспечению устойчивости и заданного качества в системах автоматического регулирования и определению оптимальных условий регулирования; разработка проблем управляемого полёта; динамика гироскопических систем и гироскопическая стабилизация. Многие из поставленных проблем напрямую были связаны с военным заказом.

 

Физики А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм в начале работы над водородной бомбой выдвинули идею о термоизоляции горячего потока электропроводных газов (плазмы) от стенок с помощью магнитного поля (МТР), которая привела к использованию управляемого термоядерного синтеза для промышленных целей и созданию, в дальнейшем, установок токамак. Проблема заинтересовала не только физиков. Магнитная газодинамика, работающая в области взаимодействия плазмы и несжимаемой жидкости с магнитным полем, стала одним из приоритетных направлений Института механики. Решением вопросов, связанных с созданием магнитогидродинамических генераторов электроэнергии и исследованием сложных МГД-течений, содержащих разного рода разрывы, под руководством Л.И. Седова занимался коллектив лаборатории общей гидромеханики (2004, Государственная премия РФ, А.А. Бармин, А.Г. Куликовский, Г.А. Любимов). Экспериментальная часть обеспечивалась специальной установкой П-2000, объединяющей несколько плазмотронов. Разработанная теория с успехом применялась при изучении взаимодействия магнитного поля Земли с звёздным и солнечным ветрами и различных разрывов в потоке солнечного ветра с головной околоземной ударной волной. Полученные результаты оказались полезными также для повышения точности прогноза «космической погоды» – совокупности физических явлений и процессов в ближайшем к Земле космическом пространстве, влияющих на здоровье человека, на функционирование технических средств и систем. Исследования свойств и течений слабопроводящих и магнитных жидкостей проводится также в лаборатории физико-химической гидродинамики с помощью системы электромагнитов (В.В. Гогосов, В.А. Налётова, В.А. Полянский).

Гидродинамическая (кавитационная) труба

Гидроканал

Задачи водной баллистики и входа твёрдых тел в воду с большими скоростями (100–1000 м/с), проблемы вывода объектов с большой глубины за счёт потенциальной энергии образующегося при старте на глубине газа (подводный старт) ставятся и решаются в лаборатории нестационарной гидродинамики (В.А. Ерошин, В.В. Прокофьев, В.А. Самсонов, М.В. Шамолин, Ю.Л. Якимов). Для исследования входа тел в воду с реальными скоростями до 400 м/с построен гидробаллистический стенд, а для моделирования подводного движения тел с каверной спроектирован баллистический вакуумный бассейн (ширина 6 м, высота 4 м, расстояние между стенками 1,5 м). Одной из актуальных исследовательских тем является использование энергии морских волн для создания тянущей силы судна. На гидроканале (ширина 1,5 м, глубина 1,5 м, длина 65 м, скорость течения до 4 м/с) в лаборатории изготовлен и смонтирован новый волнопродуктор, обеспечивающий широкий диапазон изменения параметров генерируемых волн.

 

Традиционно сильной в Московском университете является школа аэродинамики, основы которой были заложены трудами Н.Е. Жуковского и С.А. Чаплыгина и развиты В.В. Голубевым, Г.И. Петровым, Х.А. Рахматулиным, Г.Г. Чёрным. Поэтому при организации института одними из первых были созданы лаборатория общей аэродинамики (С.Я. Герценштейн, С.М. Горлин, Н.В. Никитин, В.П. Стулов), лаборатория гиперзвуковой аэродинамики (А.Л. Гонор, А.И. Зубков, К.И. Козорезов, Н.А. Остапенко, Ю.А. Панов, Н.Н. Пилюгин, Г.Г. Чёрный) и лаборатория аэромеханики и волновой динамики (С.В. Гувернюк, Х.А. Рахматулин, М.П. Фалунин).

Крупнейшей аэродинамической установкой лаборатории общей аэродинамики является дозвуковая аэродинамическая труба А-6 с открытой рабочей частью эллиптического сечения (длина рабочей части – 4 м, большая ось эллипса – 4 м, малая ось – 2,34 м; скорость потока 5–50 м/с), вторая труба – А-10 имеет восьмигранное сечение (высота 0,8 м, длина 1,36 мм, скорость потока до 70 м/с), а также ряд аэродинамических труб малых скоростей А-1У, А-2У, А-3У, А-4У, предназначенных в основном для проведения студенческого практикума.

С помощью этого оборудования определяются не только аэродинамические параметры летательных аппаратов, но и тел разнообразной плохообтекаемой формы – зданий, городских застроек, антенных сооружений; много внимания уделяется турбулентности. Архитектурно-строительная аэродинамика как специальное научное направление возникла в конце 1970-х гг. при переходе от типовой застройки городов к уникальным высотным жилым, спортивным и промышленным зданиям сложной пространственной формы, когда потребовалось искать ответы на вопросы по обеспечению, с одной стороны, должного проветривания жилых районов, с другой – их ветрозащищённости. Впервые подобные работы были выполнены на примере проектируемого московского района Чертаново-Северное, затем для жилого комплекса «Сердце столицы» (р-н Хорошево-Мнёвники), крытого катка в Крылатском, хоккейного стадиона на Ходынском поле, стадиона «Фишт» в Сочи, торгового центра и стадиона «Зенит-арена» в Санкт-Петербурге; рельефа местности вокруг озера Севан (Армения). Среди известных сооружений, макеты которых были испытаны на А-6, памятник Петру I в Москве, модели Останкинской телевизионной башни и телевизионных башен Алма-Аты и Риги. Одни из последних достижений сотрудников в этом направлении отмечены премией Правительства РФ в области науки и техники – С.В. Гувернюк (2010, за разработку и внедрение энергосберегающих навесных фасадных систем при строительстве, реконструкции и капитальном ремонте объектов в различных климатических зонах, соавт.), Н.В. Павленко, П.П. Пастушков (2017, за разработку и внедрение систем ограждающих конструкций, обеспечивающих повышенную энергетическую эффективность зданий при эксплуатации в различных климатических зонах, соавт.). Интересной темой также является разработка скоростных наземных транспортных средств с учётом законов аэродинамики (в том числе поезда РТ200, автопоезда МАЗ, гоночные автомобили, мотоциклы). Сотрудники института сочетают продувку моделей с целью определения их аэродинамических характеристик, с расчётами по оптимизации формы транспортного средства, направленными на уменьшение аэродинамического сопротивления и увеличения силы, прижимающей его к полотну дороги.

Нельзя не упомянуть использование лабораторных аэро- и гидроустановок для научного обеспечения индустрии спорта, прежде всего лыжников, велосипедистов, саночников и бобслеистов (С.С. Григорян, А.В. Остроумов, А.А. Шахназаров). Выполняя заказы спортивных организаций и ведомств, сотрудники разрабатывают конструкции санно-бобслейных трасс (в том числе первой российской трассы для санного спорта, бобслея и скелетона в д. Парамоново Дмитровского р-на Московской обл.) и саней, подбирают сталь для полозьев, продувают сани и спортивную форму в аэродинамической трубе, рассчитывают математическую модель и оптимальные траектории движения спортсмена по трассе. Эти работы помогли ряду наших спортсменов добиться значительных успехов на крупнейших мировых соревнованиях, включая Олимпиаду-2014 в Сочи и Олимпиаду-2018 в Южной Корее. За вклад в развитие санного спорта коллектив института награждён премией «Золотые сани – 2016» Федерации санного спорта России.

Диплом премии «Золотые сани – 2016»

Эллиптическая рабочая часть А-6

Саночник А. Демченко на испытаниях

Основываясь на законах движения тел с очень большими скоростями в атмосферах планет были получены интересные результаты по объяснению метеорных явлений, в том числе проанализировано падение Тунгусского космического тела 30 июня 1908 г. (С.С. Григорян, В.П. Стулов). В начале 2000-х гг. проводились эксперименты по изучению испарения горных пород при ударе моделями, выполненными из железного фрагмента Сихотэ-Алиньского метеорита (12 февраля 1947 г.), позволившие сделать ряд предположений о происхождении эволюции и образования коренных пород Земли под действием многолетних ударов метеоритов и астероидов. Подобные исследования важны также для нахождения эффективных средств защиты летательных аппаратов от ударов микрометеоритов и фрагментов космического мусора.

 

В рамках гиперзвуковой аэродинамики появилось направление, связанное с изучением вопросов развития взрыва в различных средах, инициирования и распространения волн детонации и горения.

 

Пионерные исследования в области детонации в Институте механики проводились под руководством В.А. Левина, группа которого составила ядро лаборатории газодинамики взрыва и реагирующих систем. Исследования взаимодействия высокоскоростных газовых потоков с принудительно организованными плазменными образованиями привели к развитию теории газовой динамики взрыва, теории инициирования детонации концентрированным подводом энергии, открытию законов распространения детонационных волн в различных условиях (2003, Государственная премия РФ, В.А. Левин, В.В. Марков, Г.Г. Чёрный; 1991, премия имени М.В.Ломоносова, П.Ю. Георгиевский, В.А. Левин). Полученные результаты находят применение при разработке мощных газодинамических лазеров различного типа, создании воздушно-реактивных двигателей, обеспечении безопасности труда в отраслях промышленности, где в производственный процесс включены смеси горючих газов с твёрдыми горючими частицами (В.Г. Громов, В.А. Левин, В.В. Марков, Г.Д. Смехов, Ю.В. Туник). Экспериментальное оборудование лаборатории допускает создание давления до 10 атм и температуры – 100000⁰ К.

Изучение многофазных и многокомпонентных сред, к которым относится большинство сред, окружающих человека (газовзвеси, аэрозоли, суспензии, эмульсии, композитные материалы, жидкости с пузырьками газа, насыщенные жидкостью грунты), составляет особую категорию сложности. Взаимодействие фаз может оказывать существенное влияние на динамику течения, сопротивление и теплопередачу. Сотрудники лаборатории механики многофазных сред выполняют большой объём работ по заказам нефтяной и газовой промышленности (В.В. Измоденов, А.Н. Осипцов). Государственной премии СССР удостоен цикл работ «Волновая динамика газожидкостных систем» (1983, Р.И. Нигматулин, А.И. Ивандаев, Н.С. Хабеев).

 

Движение КА со сверхзвуковыми скоростями поставило перед учёными множество задач об обеспечении прочности конструкционных материалов, находящихся в потоках раскалённого воздуха. Выдающийся вклад в решение проблем их тепловой защиты внёс Г.И. Петров. Под его руководством были решены многие вопросы теплозащиты первых пилотируемых спускаемых КА, созданы методы расчёта гиперзвуковых течений многокомпонентных сред с учётом сложных физико-химических превращений и излучения. Многомасштабные модели термохимического уноса массы реальных теплозащитных покрытий при орбитальном и сверхорбитальном входе КА в атмосферы Земли и планет были предложены и рассчитаны в лаборатории физико-химической газодинамики. Цикл работ по созданию теоретических основ и программных комплексов для моделирования высокотемпературных течений многокомпонентного газа и плазмы и процессов теплообмена, применяемых в целях обеспечения разработки современных выводимых и спускаемых КА, был удостоен премии Правительства РФ в области науки и техники (2008, Г.А. Тирский, соавт.). В 2011 г. в институте была организована лаборатория наномеханики, коллектив которой сконцентрировался на создании методов моделирования течений газа и теплообмена в микро и наноструктурах, гетерогенных и гомогенных процессов взаимодействия атомов и молекул на основе квантово-механических и молекулярно-динамических расчётов (В.Л. Ковалёв, А.А. Крупнов).

 

Современная газовая динамика может успешно развиваться лишь при условии ясного понимания физико-химических процессов, происходящих в движущемся газе. Это понимание основывается на изучении взаимодействия частиц среды – атомов, молекул, ионов, электронов, которое приводит к их электронному и вибрационному возбуждению, распаду и ионизации, а также к излучению и химическим реакциям. Учёт этих процессов важен для решения широкого класса задач аэрокосмической науки и техники, химической и лазерной технологии, теплоэнергетики. Сотрудниками лаборатории кинетических процессов в газах создаются расчётные модели, описывающие процессы возбуждения и излучения атомов, молекул, ионов, распада молекул, химических реакций, происходящих в потоке реального высокотемпературного газа (Ю.Н. Беляев, С.А. Лосев, Г.Д. Смехов, Ю.В. Туник, О.П. Шаталов). Для информационного обеспечения математического моделирования при проведении научных исследований и разработке технических проектов, планировании и постановке испытаний, конструировании устройств с газообразными рабочими телами создана информационная система АВОГАДРО, содержащая наборы измеренных констант более 2000 физико-химических процессов. Многие из величин получены на лабораторных установках для исследования физико-химических процессов в чистых газах и различных газовых смесях при высоких температурах в диапазоне 1000–60000⁰ К и давлениях газа – 0,1–10 атм. Такие условия достигаются в исследуемом газе за фронтом ударной волны, распространяющейся по каналу ударной трубы со скоростями 1,5–11,4 км/с.

 

Колоссальные давления, скорости и температуры предъявляют особые требования к прочности промышленных изделий и их частей. Основное направление этих исследований связано с развитием и обобщением классических работ А.А. Ильюшина и Ю.Н. Работнова. С тех пор кардинальные изменения произошли как в области создания принципиально новых материалов (нанокристаллические и наноструктурные металлические материалы, керамические и композиционные материалы, порошковые, биоматериалы, материалы со специальными оптическими, электрическими и магнитными свойствами), так и в технологических процессах (цифровое проектирование и моделирование, аддитивные технологии). Экспериментальные и теоретические исследования поведения материалов и элементов конструкций из них при действии всевозможных внешних факторов сосредоточены в цикле «Механика деформируемого твёрдого тела», объединяющего деятельность лабораторий динамических испытаний (И.А. Кийко, А.В. Нетребко, Ю.А. Созоненко, Д.В. Тарлаковский), ползучести и длительной прочности (Г.И. Баренблатт, И.Г. Горячева, А.М. Локощенко, С.А. Шестериков), прочности и ползучести при высоких температурах (Д.В. Георгиевский, В.И. Горбачёв, В.Н. Кузнецов, В.М. Панфёров), упругости и пластичности (Э.И. Григолюк, В.П. Нетребко, Г.З. Шарафутдинов). Лаборатории оснащены специальными установками и приспособлениями (многие из которых были сконструированы самими учёными), для нагружения образцов при различных условиях и измерения сил, перемещений и деформаций с целью изучения механики хрупкого и квазихрупкого разрушения, вязкоупругой и упругопластической динамической деформации и разрушения, взрывного нагружения, ползучести и длительной прочности металлов в агрессивных средах, при сложном напряжённом состоянии, механики полимеров и композитов, термоупругости, термопластичности и высокотемпературной прочности. Достижения сотрудников удостоены Государственной премии СССР – В.П. Нетребко (1980, за разработку методов расчёта напряжённого состояния конструкций); Государственной премии РСФСР – С.А. Шестериков, А.М. Локощенко (1990, за разработку и экспериментальное обоснование математической теории ползучести и её приложений); премии Правительства РФ в области науки и техники – И.Г. Горячева (2007, за создание и внедрение в машиностроение высокоресурсных крупногабаритных экологически чистых узлов трения скольжения с высокими триботехническими свойствами, соавт.); премии имени М.В. Ломоносова – В.П. Нетребко, Г.З. Шарафутдинов (1992, за цикл работ «Развитие поляризационно-оптических методов механики неупругих и композиционных материалов»), Р.А. Васин (1995, за цикл работ «Теория упругопластических процессов: экспериментально-теоретические исследования», соавт.); премии имени И.И. Шувалова – Д.В. Георгиевский (1997, за цикл работ «Устойчивость процессов деформирования тел со сложной реологией»).

 

Человек в экзоскелете с грузом массой 100 кг