Современные проблемы аэрофизики В. М. Фомин директор Института теоретической и прикладной механики СО РАН (ИТПМ СО РАН) 15 апреля 2003 г.

1.	Введение
2.	Аэродинамические установки ИТПМ
3.	Управление сопротивлением
4.	Управление сопротивлением с помощью лазера
5.	Прикладные исследования

Теперь я хотел бы привести несколько примеров технологического плана. Т. е. все эти исследования сосредоточены вокруг летательного аппарата будущего, те или иные аспекты, которые решаются, но в результате решения этих задач у нас появляются некоторые побочные интересные работы. В 1972 году Солоухин создал группу, которая начала заниматься CO2 лазером. Мы в настоящее время имеем CO₂-лазерные технологические установки, которые могут резать металл. Идею CO2-лазера я сейчас покажу. Схема CO₂-лазера приведена на рис. 24.

	Рис. 24. Схема газодинамического контура CO2 лазера с поперечным разрядом на базе двухмодульного электроразрядного устройства.  1 — катод; 2 — анод; 3,5 — теплообменник; 4 — вентилетор; 6 — поворотные лопатки. Параметры лазеров: мощность — 1-7 кВт; давление — 12 тор; скорость — 60 м/с; состав газов — CO2, N2, H2, воздух

Газовый поток разгоняется вентилятором. Здесь электрический разряд создает инверсию заселенности. Потом газ выводится в холодильник и охлаждается. Все очень просто, но эту простоту надо уметь сделать. А. М. Оришич умеет делать машины с постоянной энергией в луче до 10 кВт. Они сейчас применяются на российских заводах, в том числе в г. Новосибирске на заводе «Элсиб», заводе химконцентратов. С помощью этих автоматизированных лазерно-технологических установок мы можем резать 26 мм стали. Вопрос не в том, какую толщину резать, а в том, какой получается рез.

	Рис. 25. Образование грата на обратной стороне реза. Толщина — 0,5 мм, мощность — 800 Вт, скорость резки — 1 м/мин, электротехническая сталь, газ — азот, P = 0,6 МПа

Рез должен быть такой, чтобы не было последующей механической обработки (см. рис. 25). Какой тип излучения, какая скорость реза должна быть? Это пока вещь в себе. С помощью эксперимента это можно установить. Чтобы не проводить большое количество экспериментов, нужно привлекать математику, чтобы понять, как проходит лазерное излучение, как формируется отверстие. Расплав выдувается в отверстие, если это резка. Как формируются изолинии температуры.

В качестве доказательства, что такие АЛТК существуют и успешно работают, на рис. 26 показана презентация, на которой присутствуют В. А. Толоконский, Н. А. Канискин, Н. Л. Добрецов и др.

	Рис. 26. Администрация города, области и СО РАН на презентации лазерного СО2 комплекса на ОАО «Элсиб»

Появилось целое технологическое направление, как резать, как сваривать правильно. Самолет будущего не будет, как современные самолеты клепаться, он будет обязательно свариваться, а как это сделать, это будет зависеть от вас. Вы придете, начнете работать и будете давать конкретные ответы, поставленные конструкторами.

Приведу еще один пример по методу холодного газодинамического напыления (ХГН). Эта задача возникла, когда мы исследовали эрозию твердых тел с помощью двухфазных потоков. То есть, в результате взаимодействия газового потока с твердыми частицами с поверхностью твердого тела происходит эрозия. Надо было выяснить, как происходит эрозия. В некоторых случаях вместо эрозии получалось напыление, и в институте родился метод холодного газодинамического напыления. Методов напыления очень много: газокапельный, плазменный, детонационный и другие. Слышали, наверное, об этом. Идея холодного газодинамического напыления простая. В газ, выходящий из сопла, добавляются твердые частички, и он разгоняет их до определенных скоростей. Частички взаимодействуют с подложкой, и при определенных скоростях взаимодействия происходит напыление. На рис. 27 приведены разные способы напыления, а вот это красненькое—наше место в различных способах.

	Рис. 27. Диаграмма используемых значений температуры (Т) и скорости частиц (vp) сравнение различных методов напыления. 1 — низкоскоростной газоплаченный; 2 — высокоскоростной газопламенный; 3 — электродуговой; 4 — плазменный; 5 — детонационный; 6 — высокоскоростной жидкотопливный; 7 — ХГН. Основные преимущества 1. Порошковый материал сохраняет свое фазовое состояние. 2. Отсутствие существенного химического воздействия на изделие. 3. Возможность сбора и повторного использования порошка

Небольшие температуры 200-300 °С, но зато большая скорость движения частиц 300 м/с и выше. Потому оно и называется холодным газодинамическим напылением. Все остальные методы имеют большие температуры, частицы расплавляются, а здесь частицы твердые. В настоящее время научились напылять все металлы на металлы. На рис. 28 приведены наконечники алюминиевые с медным напылением.

	Рис. 28. Алюминиевые кабельные наконечники с напыленным слоем меди. Прошли испытание на соответствие ГОСТ 10434 «Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования»

Данная технология позволила упростить существующий технологический процесс и провести существенную экономию меди. Вот еще один пример: методом ХГН можно проводить СВС (высокоскоростной) синтез материалов. В чем смысл? Схема установки приведена на рис. 29.

	Рис. 29. Сопловой узел с подачей механической смеси порошков в сверхзвуковую часть сопла

Если взять порошок Al и Ni просто перемешать, то получится гетерогенный материал. Полученную гетерогенную смесь с помощью сопла разогнать до больших скоростей, за счет соударения частичек Al и Ni с преградой произойдет химическая реакция в твердой фазе, и получается NiAl. (см. рис. 30) .

	Рис. 30. Рентгеноструктурный анализ материала покрытия, полученного из механической смеси частиц алюминия и никеля методом газодинамического напыления

Это исследование проведено с помощью синхротронного излучения (СИ). У себя мы напыляли, а в ИЯФ СО РАН носили на СИ и показали, что у нас протекают химические реакции, которые происходят в твердой фазе. Получается, что с помощью этого метода можно не только напылять, но и предавать материалам новые свойства.

Таким образом, открытое явление, названное ХГН, позволяет создавать принципиально новые технологии, которые другими способами сделаны быть не могут. Можно много еще говорить о перспективах, которые получаются при изучении фундаментальных процессов аэрофизики. Но наше время вышло, и я лучше отвечу на ваши вопросы.