СМ-2

Кафедра сегодня

В настоящее время кафедрой руководит Генеральный директор, Генеральный конструктор АО ВПК «НПО машиностроения», д. т. н., профессор Александр Георгиевич Леонов. Под его руководством осуществляется  подготовка инженерных и научных кадров для предприятия АО ВПК «НПО машиностроения», решается широкий круг научно-исследовательских работ, выполняемых на основе создаваемых в АО ВПК «НПО машиностроения» образцов современной техники. Кафедра всегда рассчитывала на поддержку такого мощного предприятия, как АО ВПК «НПО машиностроения» и никогда не ошибалась. Неоценимая роль в этом принадлежит руководителям всех уровней предприятия, многие из которых — выпускники кафедры. Многие годы поддержку кафедры осуществляют преемник и ученик В. Н. Челомея Г. А. Ефремов, ныне почетный Генеральный директор и Генеральный конструктор, заместитель Генерального директора А. В. Хромушкин.

Заведующий кафедрой, Генеральный директор, Генеральный конструктор АО ВПК «НПО машиностроения», д. т. н., профессор Александр Георгиевич Леонов

В основу учебного процесса, реализуемого кафедрой «Аэрокосмические системы» (СМ2), положено гармоничное сочетание общеобразовательных, общенаучных и специальных дисциплин, позволяющее готовить высококвалифицированного инженера — создателя современной ракетно-космической техники. 

Цель учебного процесса — готовить специалиста, способного работать в проектно-конструкторских, научно-исследовательских и производственных подразделениях.

Комплекс лабораторий кафедры включает в себя лабораторию динамики конструкций, лабораторию условий космического полета, демонстрационный зал, лабораторию систем автоматизированного проектирования и лабораторию систем управления.

В лаборатории динамики конструкций имеется уникальный вертикальный стенд (высотой 12 м) для динамических испытаний ракетно-космических систем с конструктивно-подобной моделью блока сверхтяжелой ракеты-носителя УР-700. Для проведения динамических испытаний используется вибрационная система 300Н с системой управления Signal Star Scalar, а также высокоскоростная видеокамера.

Вертикальный стенд с моделью сверхтяжелой ракеты-носителя УР-700

В лаборатории условий космического полета проводится исследование поведения материалов в условиях глубокого вакуума, при воздействии солнечной радиации, работы связанные с определением негерметичности конструкции. Для их обеспечения установлены вакуумная камера, имитатор солнца и гелиевый течеискатель. В этой же аудитории размещены стенды, позволяющие студентам на практике разобраться с принципами работы солнечных батарей. 

В демонстрационном зале оборудованы стенды с элементами конструкций, а также уникальными образцами космической техники. Основными элементами подготовки в области конструирования являются космические аппараты серии «Полет» и «Кондор».

Лаборатория систем автоматизированного проектирования включает в себя компьютерный класс, оснащенный мощными рабочими станциями, системой виртуальной реальности NVIDIA 3D Vision и 3Dпринтером, что позволяет студентам последовательно проходить путь от замысла компоновки космического аппарата до прототипа, выполненного в материале.

В 2004 году по договору с фирмой SolidWorks Russia в рамках программы «SWR-Академия» в лаборатории САПР был установлен лицензионный учебный комплекс программ SolidWorks, который используется для проведения занятий по курсам «Основы автоматизированного проектирования», «Компьютерные технологии в аэрокосмической технике», «Динамика конструкций АКС». В 2008 году программный комплекс пополнился лицензионными пакетами фирмы MSC: NASTRAN, ADAMS, MARC, EASY5 и др. В настоящее время ВЦ кафедры располагает мощным вычислительным кластером фирмы Hewlett-Packard, используемым в рамках программы «Университетский кластер».

Лаборатория систем управления в настоящее время является основой для создания студенческих пикоспутников на базе современных микропроцессорных систем.

На кафедре СМ-2 студенты имеют много возможностей для самостоятельной практической реализации аэрокосмических проектов, в том числе в походных, полевых условиях.

Начиная с младших курсов студенты могут участвовать в программе CanSat — инновационном научно-образовательном проекте по запуску школьных и студенческих зондов на аэростатах.

В частности, студенты кафедры ведут эксперименты по программе создания стратосферного аппарата «Метелица». В настоящее время проводится стратосферный эксперимент по определению характеристик электронагревного двигателя для малых космических аппаратов.

На фотографии показаны зонд (справа) и рабочий момент подготовки зонда к запуску (слева)

Студенты и молодые преподаватели кафедры СМ-2 активно занимаются созданием нано и пикоспутников типа CubeSat, умещающихся на ладони. Творческий коллектив молодых ученых кафедры СМ2 начал реализацию проекта по созданию спутника с роторным солнечным парусом, который в настоящее время близок к реализации. Солнечный парус — это движитель, работающий на эффекте давления электромагнитного излучения Солнца. Он позволяет совершать межорбитальные и даже межпланетные перелёты без затрат рабочего тела (топлива). Солнечный парус, отрабатываемый в проекте, является бескаркасной тонкоплёночной конструкцией, жёсткость которой обеспечивается за счёт вращения паруса вокруг оси симметрии.

Сегодня «Парус-МГТУ» — научно-образовательный космический эксперимент на борту международной космической станции (МКС). Подробности о проекте можно узнать на сайте https://bsail.ru.

На фотографии показан макет спутника, используемый студентами для наземной отработки. На фото хорошо видны пленочные ленты солнечного паруса

Научные направления кафедры объединены в единую научную школу, созданную академиком В. Н. Челомеем. Научная школа кафедры и основные научные направления сложились в процессе участия ее сотрудников в работах по созданию ракетно-космических систем «Полет», «Протон», «Союз», «Алмаз-ТКС», большой серии беспилотных крылатых летательных аппаратов, современных баллистических ракет типа «Тополь-М» и «Булава». Данные работы выполнялись на базовых предприятиях кафедры: АО «ВПК „НПО Машиностроения“, ФГУП „Московский Институт Теплотехники“, ГосНИИ АС, ФГУП „ОКБ Вымпел“, АО РКК „Энергия“ и других.

По результатам научно-исследовательских работ на кафедре защищено 8 докторских и 59 кандидатских диссертации; издано 29 учебников, учебных пособий и монографий; опубликованы сотни статей и докладов на конференциях. Результаты научных работ включаются в учебные курсы. На экспериментальных установках проводятся лабораторные работы.

Развиваются следующие взаимосвязанные научные направления, по каждому из которых получены важные практические результаты.

Динамика, устойчивость и прочность многослойных тонкостенных конструкций. 

Основы данного направления были заложены академиком В. Н. Челомеем, к. т. н. доцентом И. М. Шумиловым, к. т. н. доцентом В. Ф. Соколовым, д. т. н. профессором Л. А. Шаповаловым. В настоящее время данное направление развивают д. ф.-м.н. профессор Ю. И. Виноградов, д. т. н. профессор О. В. Кузнецов, д. т. н. профессор А. И. Забегаев, к. т. н. доцент Дмитриев. Важную роль в становлении данного научного направления на кафедре СМ-2 сыграли д. т. н. профессор Б. Г. Попов, д. ф.-м.н. профессор Ю. И. Клюев.

На основе уточненной нелинейной теории под руководством д. т. н. профессора Л. А. Шаповалова разработаны математические модели механики деформирования многослойных оболочек и тонкостенных конструкций, отражающие физико-механические свойства конструкции в целом. Построен метод решения краевых задач механики деформирования оболочек и тонкостенных конструкций, обладающий высокой эффективностью, универсальностью по типам решаемых задач, достоверностью и точностью результатов. Разработаны пакеты оригинальных прикладных компьютерных программ для реализации предложенного метода.

В настоящее время важнейшим научным направлением кафедры является разработка методов расчета тонкостенных конструкций летательных аппаратов, выполненных из композиционных материалов. Основные научные результаты по данному направлению опубликованы в книгах: Попов Б.Г. „Решение задач механики методом конечных элементов“ (2008), Попов Б.Г. „Строительная механика и расчеты композитных конструкций“ (2008).

Оригинальный подход решения линейных задач механики оболочечных конструкций развивается под руководством д. ф.-м.н. профессора Ю. И. Виноградова. Линейными обыкновенными дифференциальными уравнениями моделируется большой класс задач механики деформирования пластин, оболочек и тонкостенных конструкций летательных аппаратов.

Разработанные на кафедре СМ-2 под руководством доцента С. Н. Дмитриева модификации метода синтеза форм колебаний для регулярных и нерегулярных компоновочных схем летательных аппаратов позволяют получить динамические характеристики сложных составных конструкций на основе исследования простых исходных модулей.

Гидроаэроупругие колебания конструкций летательных аппаратов. 

В 2002 г. на кафедре сформировалось новое научное направление, связанное с анализом совместных движений жидкости и упругой конструкции двухсредного летательного аппарата при подводном старте в условиях интенсивного вихреобразования. Первое исследование кафедры по данному направлению и по заказу предприятия ФГУП „ОКБ Вымпел“ было выполнено д. т. н. профессором С. В. Аринчевым. Им предложена математическая формулировка данной задачи, как связанной задачи гидроупругости. Получены расчетные соотношения, разработан эффективный программный комплекс. Первые результаты нашли практическое применение, показали перспективность дальнейших исследований. В настоящий момент работы в данном направлении ведутся на кафедре под руководством д. т. н. профессора Г. А. Щеглова. Рассматриваются промышленные задачи динамики подводного старта двухсредных летательных аппаратов. Разработан новый оригинальный метод вихревых элементов. 

Под руководством к. т. н. доцента В. А. Грибкова на кафедре разработаны численные методики расчета динамических характеристик и динамического отклика оболочечных систем разнообразной структуры (с последовательным соосным сопряжением оболочечных элементов, с разветвлением образующей оболочек вращения, коаксиальных, многослойных, связанных с абсолютно твердыми телами и стержневыми системами), сегментарно связанных со средой.

Параметрический и вероятностный анализ динамики конструкций. 

Научная работа в области параметрического и вероятностного анализа ведется под руководством заведующего кафедрой СМ-2 д. т. н. профессора О. Н. Тушева. Предложены дискретные линейные и нелинейные упругие динамические модели летательных аппаратов, получаемые методом конечного элемента, методом синтеза форм колебаний и другими методами. На кафедре разработаны алгоритмы для анализа влияния случайного разброса параметров конструкции на частоты и формы собственных колебаний. 

Основы этого научного направления заложены в докторской диссертации О. Н. Тушева и развиты в кандидатских диссертациях: С. В. Аринчева, В. В. Быстрова, Вит.И. Никитенко, Б. М. Зарубина, Ю. Н. Цыганова, О. А. Кочеткова, С. Э. Зайцева.

Важным направлением научных исследований кафедры является теория колебаний неконсервативных систем. Методы решения актуальных задач промышленности разработаны в книге д. т. н. профессора С. В. Аринчева „Теория колебаний неконсервативных систем“. –М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. Здесь рассматриваются задачи аэроупругости (флаттер, дивергенция) слабооперенных летательных аппаратов, продольные колебания (продольная устойчивость) жидкостных ракет, колебания трубопроводов с протекающей жидкостью, связанные задачи колебаний управляемых упругих конструкций в условиях аэродинамического обтекания (задачи аэроавтоупругости). Результаты выполненных исследований внедрены на ряде предприятий отрасли, в том числе на предприятиях АО „ВПК ‚НПО машиностроения‘ и ФГУП ‚ОКБ Вымпел‘ (ныне ФГУП ‚ЦЭНКИ‘ — КБ ‚Мотор‘). Важные результаты получены к. т. н. доцентом А. В. Беляевым. На основании теории чувствительности им выработаны рекомендации по повышению продольной устойчивости жидкостной ракеты-носителя среднего класса.

Динамика движения и системы управления. 

Проблемы управления движением ЛА всегда были в поле научных интересов кафедры СМ-2. С ними тесно связаны многие вопросы проектирования. В программу специальной подготовки студентов был включен курс ‚Динамика движения и системы управления‘, к чтению которого привлекались крупнейшие ученые и специалисты промышленности. Одним из первых учебную и научную деятельность по данному направлению возглавил Е. А. Федосов. Выполненные им исследования составили содержание его докторской диссертации и серии блестящих научных публикаций. В настоящее время Е. А. Федосов — Герой Социалистического Труда, академик РАН, известный во всем мире ученый.

Исследования Е. А. Федосова на кафедре СМ-2 были продолжены А. П. Чернышевым, Ю. В. Подвинцевым, В. И. Щербаковым, В. А. Игнатьевым. Ими были опубликованы статьи и защищены кандидатские диссертации в области корреляционной теории динамических систем (рассматривались вопросы устойчивости и точности систем управления со случайными параметрами).

Доцент кафедры СМ-2 Р. П. Симоньянц многие годы руководит исследовательскими работами в области релейных динамических систем. Применением метода точечных отображений и специальных преобразований многомерного фазового пространства ему удалось свести исследования релейной динамической системы выше второго порядка к изучению ряда параметрически заданных функций на плоскости. Разработанный метод является эффективным инструментом при решении задач анализа и синтеза широко распространенных в космической технике систем стабилизации с ограниченной информацией. Первые существенные результаты были получены Р. П. Симоньянцем при решении проблемы обеспечения устойчивости и высокого качества динамических режимов в реактивных системах стабилизации космических летательных аппаратов с внутренней обратной связью. Они были успешно внедрены при создании КЛА серии ‚Космос‘ и орбитальной станции ‚Алмаз‘. Дальнейшее развитие данное направление получило в кандидатских диссертациях учеников Р. П. Симоньянца: А. С. Гусарова, Г. Г. Сасина, В. М. Сапрунова, П. В. Гурова и других.

Нелинейная механика и параметрические колебания упругих конструкций. 

Проблемы динамической устойчивости упругих систем связывают с основополагающими результатами, полученными основателем кафедры академиком В. Н. Челомеем. Им был опубликован ряд оригинальных работ по различным проблемам прикладной математики, теории колебаний сложных динамических систем с периодическими параметрами. 

Дело В. Н. Челомея было продолжено его сыном д. ф.-м.н. профессором С. В. Челомеем. Под руководством С. В. Челомея был исследован ряд задач о динамической устойчивости при параметрических колебаниях упругих систем, в которых основные параметры являются функциями времени, а колебания поддерживаются за счет изменения параметров самой системы. Полученные результаты позволили более точно оценить динамическую устойчивость конструкции летательных аппаратов, определять области их динамической неустойчивости в зависимости от параметров системы.

На основании исследования динамической устойчивости упругих систем был сделан вывод о том, что высокочастотное возбуждение придает колебательной системе дополнительную, так называемую динамическую устойчивость. Например, проведенные С. В. Челомеем и его учениками исследования показали, что силы локальной искусственной гравитации в невесомости могут возникать не только при вращении КЛА, но и под действием параметрических вибраций. Данный вывод вызвал большой интерес научной общественности на конференции по биомеханике во Франции, где выступал с докладом С. В. Челомей.

Одна из последних и наиболее известных научных работ академика В. Н. Челомея опубликована в 1983 году. Она содержит описание парадоксальных эффектов, возникающих в объектах различной структуры под действием вибрации. Представленные результаты опытов из-за кончины автора не получили должного объяснения и теоретического обоснования. 

Доцентом В. А. Грибковым в течение ряда лет ведутся исследования трех объектов из публикации 1983 года: трехзвенного обращенного маятника, маятника Челомея и трубки Челомея, содержащей тяжелый шарик, погруженный в жидкость. Две последние системы относятся к чрезвычайно сложным системам, проблемным даже на этапе их формализации (математического описания). 

Для указанных трех объектов получены новые расчетные и экспериментальные результаты, выявлены основные состояния, предложены объяснения наблюдаемых эффектов.

Опытно-конструкторские работы. 

На кафедре СМ-2 ведется активная научная работа в области динамики и прочности конструкций аэрокосмических систем.

В частности. преподаватели кафедры участвуют в создании перспективной пилотируемой транспортной системы ‚Федерация‘. По заказу АО ‚РКК ‚Энергия им. С. П. Королева‘ был реализован проект ‚Разработка имитационных компьютерных моделей раскрытия посадочной опоры и процессов посадки возвращаемого аппарата на посадочном устройстве‘. Целью проекта являлось проведение анализа динамики раскрытия посадочной опоры, процесса посадки возвращаемого аппарата (ВА) на посадочном устройстве (ПУ)пилотируемого транспортного корабля в обеспечение выпуска рабочей документации по перспективной пилотируемой транспортной системе. В рамках проекта был осуществлен выбор силовых характеристик амортизаторов, входящих в состав ПУ; определены области начальных кинематических параметров, при которых обеспечивается устойчивость ВА на ПУ к опрокидыванию при посадке; определены нагрузки, действующие на конструкцию ВА и составные части ПУ, в том числе в узлах крепления ПУ к ВА, в шарнирах, замках и др.; проведен анализ посадки в рассматриваемых случаях отказов ПУ.

На рисунке показаны фазы процесса посадки возвращаемого аппарата в случаях штатной и нештатной посадки.

Результаты моделирования: фазы процесса штатной посадки ВА неровный грунт и фазы процесса нештатной посадки ВА

В настоящее время на кафедре СМ2 проводятся совместные работы с АО ‚ВПК ‚НПО машиностроения‘, АО ‚Корпорация тактическое ракетное вооружение‘ и др.

На фото показан космический аппарат ‚Кондор-Э‘ в расчетах динамики конструкций которого принимали участие сотрудники и выпускники кафедры СМ2.