ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ФИЗИКЕ ГОРЕНИЯ В КОСМОСЕ
© А.В.Пеклевский
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2018 г.
Условия невесомости или микрогравитации исключают образование конвекционных потоков в жидкостях и газах, поэтому проведение научных экспериментов на борту Международной космической станции (МКС) даёт исследователям в области физики горения, физики жидкости и фазовых переходов уникальные возможности по наблюдению физических явлений и процессов, детальному изучению механизмов их образования.
В 2017 году группой учёных из ИХФ РАН под руководством д-ра физ.-мат. наук С.М. Фролова в рамках совместного российско-американского проекта по исследованию холоднопламенного горения углеводородов (н-додекана, фарнезана, изо-додекана) в условиях микрогравитации на американском сегменте (АС) МКС был проведён КЭ «Зарево». С российской стороны в проведении эксперимента участвовал космонавт Олег Новицкий.
«Зарево» ─ первый космический эксперимент (КЭ) по физике горения в отечественной программе научно-прикладных исследований и экспериментов на МКС. ФГУП ЦНИИмаш является постановщиком совместных КЭ и обеспечивает взаимодействие всех участников проекта.
КЭ был реализован в период с 9 марта по 15 сентября 2017 года на американском сегменте МКС в модуле Дестини (Destiny). В ходе выполнения программы экспедиции МКС-50,51,52,53 было проведено 302 опыта с различными составами горючих смесей, сгорание которых производилось в газовой атмосфере с варьируемыми составом и параметрами (давлением и пр.), 226 из них признаны успешно завершёнными.
В американском научном модуле Destiny научное и вспомогательное оборудование смонтировано в так называемых международных стандартных стойках полезной нагрузки (ISPR) весом около 540 кг каждая. Процесс горения осуществлялся в интегрированной стойке по горению CIR (Combustion Integrated Rack), в которой размещалась многорежимная камера-печь MDCA (Multi-Droplet Combustion Apparatus) весом 254 килограмма и обеспечивающее оборудование (ёмкости с горючим, трубопроводы и др.). Объём камеры MDCA, в которой производилось сжигание капель углеводородов, составляет 100 литров. Установка позволяет формировать разнообразные физические условия протекания процесса горения: по давлению, температуре и составу газовой смеси, размеру капли и др. В камере можно воссоздать условия, характерные, например, для Марса и Луны.
В результате выполнения КЭ «Зарево» были получены следующие научные результаты: физики из ИХФ РАН теоретически предсказали явление беспламенного горения и получили экспериментальное его подтверждение, исследовали процессы сажеобразования.
В настоящее время оборудование MDCA демонтировано, вместо него в стойку CIR установлен модуль ACME (Advanced Combustionvia Microgravity Experiments), на котором запланировано проведение ещё пяти совместных российско-американских экспериментов по физике горения, в которых примут участие научные группы исследователей из Москвы, Санкт-Петербурга и Владивостока в период 2017-2019 годов. Эксперименты будут сосредоточены на исследованиях газообразного топлива для изучения структуры и стабильности горения вблизи пределов воспламеняемости, образования сажи, роста поверхности и процессов окисления.
В модуле ACME установлен новый пакет диагностических средств и связанный с ним блок управления. Все параметры в процессе выполнения КЭ задаются командами с Земли от группы управления в Исследовательском центре им. Джона Гленна.
В этом году проводились сеансы космических экспериментов «Диффузионное пламя» и «Электрическое пламя», на МКС уже было «зажжёно» свыше 250 пламён в ходе выполнения этих двух КЭ. Российскую группу исследователей из ДВФУ возглавляет д.ф.-м.н. С.С. Минаев. Осенью должна быть начата реализация КЭ «Фламенко» (научн. руководитель д.т.н. А.Ю. Снегирёв, Санкт-Петербургский политехнический университет) и КЭ «Адамант» (научный руководитель д-р физ.-мат. наук С.М. Фролов, ИХФ РАН). Планируется, что в 2019 году будет выполнен КЭ «Сферическое пламя» (научный руководитель д-р физ.-мат. наук В.В. Губернов, ФИАН).
Полученные экспериментальные данные помогут проверить модели расчётов, позволяющие создавать высокоэффективные камеры сгорания с низким уровнем выбросов. ACME ориентирована на современную технологию сжигания через фундаментальные исследования процессов горения в условиях микрогравитации ламинарных, газообразных, несмешанных пламён. Основная цель заключается в повышении эффективности и сокращении выбросов загрязняющих веществ наземных камер сгорания.
Другой немаловажной задачей применения знаний кинетических механизмов окисления и горения, условий воспламенения и горения является предотвращение пожаров, особенно для космических аппаратов.