ИСТИНА

Развитие космической отрасли имеет стратегическое значение для государства. От исследования и освоения космоса напрямую зависит обороноспособность и национальная безопасность России. Также использование открывающихся здесь возможностей для развития фундаментальной науки способствует реализации технологического прорыва России. В свете этого, особо важными являются выработка критериев безопасности с точки зрения распространения пламени, а также выработка рекомендаций для безопасной и надежной работы космической инфраструктуры на космической станции.

The development of the space industry is of strategic importance for the state. Russia's defense capability and national security directly depend on space exploration. Also, using the opportunities that open up here for the development of fundamental science contributes to the implementation of Russia's technological breakthrough. In light of this, it is extremely important to ensure the safety of space flights and the reliable operation of the space infrastructure on the space station. The course of many processes in weightlessness differs significantly from the course of processes on Earth in the presence of gravity. In conditions of "weightlessness" when spacecraft move in near-earth orbits, these spacecraft carry multidirectional microaccelerations, which form a special environment called "microgravity". The mechanisms of development of many hydrogasdynamic and physicochemical processes under microgravity conditions require a separate special study. One of the most dangerous scenarios on the space station is the development of a fire in microgravity. At the same time, the main factors affecting the spread of the flame are air flows in the atmosphere of the station, as well as heat flows in the materials of internal coatings. Therefore, the safety criteria in terms of flame propagation for the International Space Station (ISS) are particularly important. The course of many processes in zero gravity is significantly different from the course of processes on Earth in the presence of gravity. In the conditions of" weightlessness", when spacecraft move in near-Earth orbits, they have multidirectional micro-accelerations, which form a special environment called "microgravity". The mechanisms of development of many hydro-gas-dynamic and physico-chemical processes in microgravity require a separate special study. On space stations, the movement of liquid in various devices, such as filtration treatment systems, heat pipes, fuel pumping tubes from tanks, as well as hydroponic systems for growing plants, occurs only due to capillary effects. In this regard, the study of capillary effects that occur during filtration in microgravity is of great interest. The processes taking place in zero gravity have their own characteristics. For example, the absence of gravity leads to the fact that combustible products formed as a result of a chemical reaction are not carried away from the surface, but remain close to it, i.e. cessation of combustion (absence of visible flame) cannot serve as a guarantee that combustion will not occur again at the slightest movement of air flows in the station's atmosphere. Also, contrary to expectations, some materials turned out to be more flammable in zero gravity than on Earth. Thus, the results of experimental and theoretical studies will improve safety on board the spacecraft and develop protocols for actions in the event of a fire for astronauts, as well as contribute to the creation of new materials and fire extinguishing systems on the ISS. In addition, the fundamental results obtained with full or partial disabling of the effects of gravity will allow a better understanding of the combustion process, which in turn can lead to more efficient combustion of fuels on Earth, as well as reduce the formation of soot and other negative effects. On board the ISS, the process of supplying fluid from the reservoir, in particular, the movement of fluids in the heat pipes of spacecraft thermal control systems or in the fuel pumping tubes, is possible only due to capillary forces. In general, the study of various processes associated with multiphase fluid flows under microgravity conditions is of greater importance. So, on board the ISS, for example, a spilled combustible substance due to capillary forces can spread over long distances, leading to unpredictable consequences. In addition, many biological processes occurring in living organisms are associated with the process of fluid flow in porous media and thin capillaries. It is well known that the conditions of reduced gravity have a tremendous effect on the functioning of all body systems, the well-being of astronauts and on tissue regeneration in the event of injury or burn. Therefore, the fundamental study of the flow of liquids in microgravity will be of great importance for space biomedicine. Because weightlessness or microgravity alters the behavior of liquid and gas, the distribution of water and moisture control in the root zone of a plant, as well as the flow of water within the plant, between the plant and the environment, is a critical issue for bioregenerative life support systems in space. In this regard, the study of capillary impregnation under microgravity conditions is fundamental for the successful cultivation of plants on space stations. It is worth noting that the results of studying filtration processes in microgravity conditions can also find applications for Earth technologies and processes, for example, for oil production. As part of this project, the results of multiscale experiments on controlled combustion in zero gravity SAFFIRE, experiments on repeated impregnation of an artificial porous medium during parabolic flights of an Airbus A300-ZeroG aircraft, experiments on capillary impregnation of a natural porous medium on the Discovery STS-91 orbital vehicle will be processed and analyzed carried out under the MIRROR GAS program. In addition, it is planned to conduct a series of laboratory experiments on liquid flow in the Hele-Show cell. Also, computational program codes will be created for the numerical simulation of combustion processes on the surface of a thermochemically destructible material at different blowing rates, oxygen concentrations, types and topography of the combustible material surface, as well as the flow of liquids in porous media with inhomogeneities of permeabilities, taking into account the effect of hysteresis and capillary effects. The developed programs will be validated by comparison with analytical solutions, and also verified using the experimental data available to the team. The results of experimental and numerical studies will make it possible to develop a safety criterion in terms of flame propagation, to develop recommendations for eliminating a fire on board the ISS and recommendations for protocols of actions in the event of a fire for astronauts, as well as recommendations on the types of materials and fire extinguishing systems used on board the ISS. In addition, recommendations will be developed on the safe and reliable operation of the space infrastructure on the space station, associated with filtration treatment systems, heat pipes, pipes for pumping fuel from tanks, as well as hydroponic systems for growing plants on the ISS.

(1) Обработанные результаты космических экспериментов SAFFIRE по горению тканевых материалов и твердых горючих материалов (РММА) в условиях микрогравитации при различных скоростях набегающего потока и рельефе поверхности. (2) Обработанные результаты экспериментов во время параболических полётов Airbus A300-ZeroG и на орбитальном аппарате Discovery STS-91 по течению жидкости сквозь пористую среду в условиях микрогравитации. (3) Результаты сравнительного анализа особенностей течения в условиях микрогравитации и при земной гравитации. Выявление зависимостей и закономерностей. (4) Разработанные математические модели и вычислительные алгоритмы для решения обеих задач. Результаты анализа выведенных систем уравнений методами теории размерности и подобия. Результаты анализа определяющих систем уравнений на предмет получения аналитических решений, пригодных для дальнейшей верификации численного кода. (5) Созданный верифицированный и валидированный численный код для проведения динамического моделирования задачи распространения пламени по поверхности горючего материала на основе разработанных математических моделей и вычислительных алгоритмов. (6) Созданный верифицированный и валидированный численный код для проведения динамического моделирования задачи капиллярной пропитки пористой среды в условиях микрогравитации на основе разработанных математических моделей и вычислительных алгоритмов. (7) Для задачи течения жидкостей под действием капиллярных сил проведенная серия лабораторных экспериментов по просачиванию жидкостей с различными свойствами через ячейку Хеле-Шоу. (8) Созданная многопроцессорная версия программ. (9) Выработанные критерии безопасности с точки зрения распространения пламени для Международной космической станции. (10) Выработанные рекомендаций для безопасной и надежной работы космической инфраструктуры на космической станции, связанной с очистными системами фильтрации, тепловыми трубками, трубками подкачки топлива из резервуаров, а также гидропонными системами для выращивания растений на МКС. Поскольку горение и фильтрация в микрогравитации отличается от горения и фильтрации в земных условиях, разрабатываемые модели, основываясь на экспериментальных наблюдениях, будут учитывать эффекты, возникающие из-за отсутствия гравитации. К таким эффектам относятся: горение в «холодном» режиме без видимого пламени, легкость воспламеняя горючих материалов, доминирование капиллярных сил и т.д. Все созданные модели будут валидированы на базе лабораторных и натурных экспериментов, верифицированы путем сравнения с точными решениями, и содержать оценки накопления стохастических ошибок при проведении численных расчетов нестационарных процессов. Экспериментальные данные, имеющиеся в распоряжении коллектива, являются уникальными. До этого многомасштабных экспериментов по контролируемому горению в условиях микрогравитации не проводилось, а некоторые эффекты горения в невесомости выявлены впервые. Также обработка данных экспериментов по течению жидкости сквозь пористую среду в условиях микрогравитации позволит детально изучить аспекты течения жидкости за счёт капиллярных сил, что невозможно сделать на базе экспериментов, проводимых в земных условиях, когда гравитация преобладает над капиллярными силами, тем самым маскируя эффекты, которые могут оказаться существенными при моделировании течения в условиях микрогравитации. Результаты моделирования процессов горения и фильтрации в условиях микрогравитации, а также учет эффектов не характерных для земных условий позволят обеспечить безопасность и надежность как с точки зрения распространения пламени в отсеках космического корабля, так и работы космической инфраструктуры, связанной с очистными системами фильтрации, тепловыми трубками, трубками подкачки топлива из резервуаров, а также гидропонными системами для выращивания растений на МКС. Также фундаментальные результаты, полученные при полном или частичном отключении эффектов гравитации, позволят лучше понять процесс горения, что в свою очередь может привести к более эффективному сжиганию топлив на Земле, а также сокращению образования сажи и других негативных эффектов. А результаты исследования фильтрационных процессов в условиях микрогравитации могут найти применения и для земных технологий и процессов, например для нефтедобычи. Ожидаемые результаты исследований по теме находятся на мировом уровне, а по некоторым направлениям и превосходят его. Использование открывающихся здесь возможностей для развития фундаментальной науки способствует реализации технологического прорыва России.

Можно выделить следующие наиболее важные результаты, полученные коллективом, которые найдут применение в данном проекте: – Создан авторский программный пакет, предназначенный для детального трехмерного численного моделирования процессов, происходящих в камере сгорания детонационного и гибридного двигателей. – С помощью разработанного программного комплекса проведено трехмерное численное моделирование процессов, протекающих в камерах сгорания детонационных двигателей. – Разработан численный код и получены аналитические решения для задачи распространения пламени по поверхности термохимически разрушающегося материала. – Участие в подготовке и проведении первого крупномасштабного эксперимента по горению в невесомости SAFFIRE. – Обработка и анализ результатов эксперимента FLEX по горению одиночных капель в невесомости. – Получены осреднённые модели течения в ячейке Хеле-Шоу жидкостей с различной реологией: обобщённой ньютоновской, вязкопластической, вязкоупругой, нестационарной. – Разработаны двумерные программные коды, позволяющие моделировать вытеснение из ячейки Хеле-Шоу как смешивающихся жидкостей, так и несмешивающихся. – Эффективность разработанных программ подтверждена Патентом №2670174 «Способ многомасштабного моделирования нелинейных процессов подземной гидродинамики» и свидетельствами о государственной регистрации прав на программное обеспечение: РИД № 2019615829 Программный комплекс визуализации результатов моделирования неустойчивого вытеснения нефти из пористых сред, РИД № 2018616781 Фокусировка ударной волны и инициирование детонации, РИД № 2018616762 Программный комплекс моделирования неустойчивости вытеснения, РИД № 2018616761 Программный комплекс моделирования перехода турбулентного горения в детонацию. – Результаты, полученные авторами в рамках реализации данного проекта, опубликованы более чем в 30 статьях Web of Science, Scopus и ВАК и представлены на крупнейших международных и всероссийских научно-технических конференциях.