Технічна механіка

Визначення і загальна характеристика

ТЕХНІ́ЧНА МЕХА́НІКА  — сукупність роз­ділів механіки, таких як механіка матеріальної точки і системи матеріальних точок, механіка твердого тіла, механіка суцільного середовища (гідрогазодинаміка, аеромеханіка, теорія пружності та пластичності, механіка сипких середовищ). Окрім роз­ділів класичної механіки (науки про зміну з часом взаємного положе­н­ня тіл або їх частин у просторі та про механічну взаємодію між ними) Т. м. охоплює роз­діли термодинаміки багатофазних середовищ та фізико-хімічних процесів у твердих, рідких і газоподібних середовищах, хімічної кінетики та фазових пере­ходів. Результати та методи Т. м. за­стосовують під час проєктува­н­ня та від­працюва­н­ня обʼєктів ракетно-космічної та авіаційної техніки (див. також Авіаційно-космічна промисловість) та їхніх систем, енергетичних установок, технологічних процесів, транс­порт­них засобів, машин і механізмів тощо.

Становле­н­ня та роз­виток

Становле­н­ня Т. м. як само­стійного наукового напряму зумовлено технічним про­гресом у 2-й половині 20 ст., зокрема появою та роз­витком ракетно-космічної техніки, авіації, наземного транс­порту, складних енергетичних обʼєктів. У таких системах унаслідок складності їхньої структури, взаємозвʼязку великої кількості агрегатів і сполучних елементів інтенсифікують процеси, що можуть викликати аварійні режими роботи. Під час проєктува­н­ня та аналізу надійності цих систем необхідно вирішувати комплексні зав­да­н­ня, враховуючи одночасно процеси різної природи: гідрогазодинамічні, горі­н­ня, тепломасооб­мін, вібрацію тощо. Так, про­блема взаємодії пружного корпусу ракети з рідин­ною ракетною двигун­ною установкою в неу­сталених режимах роботи потребує дослідже­н­ня взаємодії по­здовжніх коливань корпусу з кавітаційними автоколива­н­нями в системі живле­н­ня двигун­ної установки. Ви­вчаючи аеродинаміку літальних апаратів потрібно роз­вʼязувати газодинамічні задачі з урахува­н­ням термохімічного руйнува­н­ня поверх­ні, фізико-хімічних пере­творень у газі, неоднофазності середовища. Проєктува­н­ня паливних баків та систем подачі робочого тіла в ракетному обʼєкті варто виконувати з урахува­н­ням впливу колива­н­ня рідини на теплооб­мін, гідравліку тощо. Таким чином, про­блеми ракетно-космічної техніки, авіації, турбо- та двигунобудува­н­ня зумовили появу низки задач на стику механіки з іншими галузями наук. Під час їхнього роз­вʼяза­н­ня виникла необхідність одночасного викори­ста­н­ня методів та рівнянь як Т. м., так і термодинаміки, молекулярної фізики, хімії та ін. В остан­ні роки до них додалися інформаційні методи, а також викори­ста­н­ня штучного інтелекту. Роз­робле­н­ня методологічних основ та способів виріше­н­ня задач такого типу і складає зміст Т. м.

В Україні Т. м. як окрема галузь науки сформувалася під впливом та без­посереднім керівництвом роз­робників нової ракетно-космічної та авіаційної техніки академіків М. Янгеля і О. Антонова за сут­тєвого сприя­н­ня наукових шкіл із механіки, заснованих академіками О. Дин­ником, В. Лазаряном та Г. Савіним. 

Основні напрями досліджень

• динаміка та стійкість гі­дромеханічних систем; 
• просторово вʼязкі течії в турбомашинах; 
• технічне викори­ста­н­ня ефективної гідродинамічної кавітації (кавітаційних коливань); 
• взаємодія тіл (зокрема обʼєктів ракетно-космічної техніки) із плазмою, електромагнітними полями й ви­промінюва­н­ням у космічному просторі; 
• електроре­активні двигуни та їхня сумісність із системами космічних апаратів; 
• термогазодинаміка ре­активних двигунів, енергетичних установок та технологічного обладна­н­ня тепло­станцій і металургійного виробництва; 
• аеротермогазодинаміка літальних апаратів, ракет-носіїв, спускних космічних апаратів (з урахува­н­ням над­звукових течій, впливу вʼязкості, термохімічного руйнува­н­ня поверх­ні, фізико-хімічних пере­творень у газі, неоднофазності середовища); 
• дослідже­н­ня аерогазодинамічних, тепломасооб­мін­них і фотометричних характеристик орбітальних космічних апаратів; 
• динаміка систем із двофазними середовищами; 
• роз­робле­н­ня принципово нових віброзахисних систем із квазінульовою жорсткістю; 
• колива­н­ня і стійкість руху сут­тєво нелінійних неконсе­рвативних механічних систем та хвильові процеси (теорія й екс­перимент); 
• несуча здатність, динаміка та міцність в екс­тремальних умовах екс­плуатації тонкостін­них кон­струкцій (зокрема ракетно-космічної техніки) з пружно-вʼязко-пластичними властивостями; 
• технологія виготовле­н­ня та міцність кон­струкцій антен­ної техніки і геліо­енергетики; 
• втома й руйнува­н­ня твердих тіл; 
• екс­периментальна механіка деформованих твердих тіл при складному напруженому стані (рівня­н­ня стану і критерії міцності); 
• надійність та довговічність складних технічних систем, моделі накопиче­н­ня по­шкоджень, технічна діагностика стану елементів кон­струкцій на основі викори­ста­н­ня фізичних явищ у матеріалах; 
• роз­робле­н­ня методів роз­вʼяза­н­ня зав­дань динаміки та керува­н­ня дис­кретно-без­перервними системами, зокрема системами космічних літальних апаратів; 
• випадкові колива­н­ня механічних систем, ідентифікація та оптимізація їх параметрів, віброзахист кон­струкцій, про­гнозува­н­ня вібронавантаженості та динамічної міцності рухомих обʼєктів, зокрема транс­порт­них засобів і виробів ракетно-космічної техніки; 
• динаміка керованого руху космічних апаратів, багато­елементних механічних систем, що функціонують у різних середовищах, і систем змін­ної конфігурації; 
• створе­н­ня медичних та інформаційних систем.

Практичні результати

Шляхом викори­ста­н­ня методів та засобів Т. м. отримано низку важливих результатів, за­стосованих на практиці, зокрема роз­роблено нові високоамплітудні кавітаційні генератори коливань тиску рідини у звуковому діапазоні частот, за допомогою яких вдалося сут­тєво інтенсифікувати процеси диспергува­н­ня, теплооб­міну, бурі­н­ня, роз­кальматації свердловин тощо. 

На основі результатів досліджень суперкавітації у закручених потоках рідини за­пропоновано та роз­роблено новий клас демпфувальних при­строїв, ефективніших ніж газорідин­ні демпфери. Виконано теоретичні й екс­периментальні дослідже­н­ня динаміки нерівноважних термодинамічних процесів випаровува­н­ня рідини та конденсації пари у двофазних парорідин­них потоках, що до­зволило зробити висновок про доцільність викори­ста­н­ня динамічних властивостей двофазних парорідин­них середовищ для роз­робле­н­ня та створе­н­ня принципово нових високоефективних засобів віброзахисту в різних технічних обʼєктах і системах. Роз­роблено й екс­периментально під­тверджено теорію низькочастотних автоколивань тиску і витрат у системах живле­н­ня рідин­них ракетних двигун­них установок, зумовлених кавітаційними явищами у насосах. За­пропоновано математичну модель жорстких режимів збудже­н­ня кавітаційних автоколивань у системі живле­н­ня рідин­них ракетних двигунів та математичну модель динаміки насосів таких двигунів, що доповнює гідродинамічну модель за рахунок можливості моделюва­н­ня режимів запира­н­ня. Створено теорію динамічної (по­здовжньої) стійкості ракет-носіїв на рідкому паливі (зокрема ракет із пакетною схемою компонува­н­ня ступенів) як багатоконтурних систем, що можуть містити не­стійкі під­системи, і роз­роблено основи нелінійної теорії по­здовжніх коливань. 

Вирішено низку задач із теоретичного дослідже­н­ня пере­хідних процесів під час запуску багато­двигун­ної рідин­ної ракетної двигун­ної установки, що складається з декількох двигунів із допалюва­н­ням окислювального генераторного газу. За­пропоновано теорію та методи роз­рахунку взаємодії високоентальпійних газових потоків з обтічними поверх­нями і джерелами маси та тепла. Створено наукові основи проєктува­н­ня і від­працюва­н­ня систем керува­н­ня газовими потоками у соплах ракетних двигунів, а також у різних агрегатах технологічного обладна­н­ня, зокрема металургійного виробництва, теплових енерго­установок тощо. 

Роз­роблено методи та засоби числового й екс­периментального моделюва­н­ня процесів аерогазодинаміки та теплооб­міну літальних апаратів на різних ділянках польоту в атмо­сфері Землі, що до­зволило виконати комплекс зав­дань, повʼязаних із ви­вче­н­ням газодинамічних процесів у на­ближе­н­нях невʼязкого газу, примежового шару, вʼязкої взаємодії, тонкого та повного вʼязкого ударного шару, а також зав­дань роз­рахунку від­ривних та струмин­них течій, обтіка­н­ня тіл запиленим газом з урахува­н­ням термохімічного руйнува­н­ня поверх­ні.

Створено методологічні основи для проведе­н­ня комплексних досліджень аеродинамічних характеристик та процесів масопереносу по­близу космічних літальних апаратів, що рухаються у верх­ніх шарах атмо­сфери Землі та планет; вакуумні аеродинамічні прилади, що до­зволяють моделювати умови польоту літальних апаратів на висотах понад 150 км над поверх­нею Землі. Роз­роблено теорію моделюва­н­ня та імітації умов польоту, режимів руху, взаємодії космічних апаратів та їхніх систем із навколообʼєктним і космічним середовищем, функціонува­н­ня та екс­плуатації на орбіті в частині електроплазмодинаміки, магнітоаеродинаміки й теплооб­міну, високовольтної диференційної електризації, дифракції та роз­сіюва­н­ня електромагнітного ви­промінюва­н­ня радіолокаційного діапазону на неоднорідностях поверх­ні тіл оберта­н­ня. За­пропоновано новий напрям проєктува­н­ня літальних апаратів, заснований на комплексних дослідже­н­нях їх параметрів з урахува­н­ням умов за­стосува­н­ня та вірогідності факторів. 

Створено ефективні методи дослідже­н­ня випадкових коливань складних механічних систем, за­пропоновано способи ідентифікації та оптимізації їхніх параметрів; роз­роблено математичні моделі й методи виріше­н­ня зав­дань статистичної динаміки рейкових транс­порт­них засобів. Викори­ста­н­ня цих методів до­зволило вирішити низку важливих зав­дань щодо вибору основних параметрів проєктованих універсальних і спеціалізованих рейкових екіпажів, раціональних з точки зору забезпече­н­ня динамічних якостей та без­пеки руху, збереже­н­ня та віброзахисту вантажу, збільше­н­ня ресурсу ходових частин і рейок. 

Роз­роблено методи роз­рахунку пружних систем змін­ної структури, що враховують усі фази руху, на основі дис­кретних та скінчен­но-елементних роз­рахункових схем із різними рівнями дис­кретизації на етапах дослідже­н­ня руху, навантаже­н­ня та напружено-деформованого стану; методи виріше­н­ня задач без­контактного уводу фрагментів космічного смі­т­тя з робочих орбіт. Створено оригінальні математичні моделі нелінійної механіки, за допомогою яких досліджено пита­н­ня динаміки, стійкості та керува­н­ня великих космічних систем, зокрема тих, що роз­гортаються; теорію нелінійної взаємодії деформованих тіл із рідиною та методи дослідже­н­ня роз­по­всюдже­н­ня хвиль різної фізико-механічної природи в обмежених середовищах з урахува­н­ням нелінійних факторів. 

Вирішено складні зав­да­н­ня дослідже­н­ня деформува­н­ня та несучої здатності (з урахува­н­ням пластичності і повзучості) ракетно-космічної та авіаційної техніки, обʼєктів енергетичного і транс­порт­ного машинобудува­н­ня, що працюють в умовах інтенсивних впливів різної фізичної природи. Досліджено механізми деформува­н­ня та руйнува­н­ня матеріалів в умовах глибокого (до 4,2 К) охолодже­н­ня при статичному, динамічному та циклічному навантаже­н­нях, створено моделі впливу фізичних полів (електричних, магнітних, теплових) на міцність; роз­винуто теорію пластичності для умов складного циклічного навантаже­н­ня. Ви­вчено кінетику та механізми термостомленого по­шкодже­н­ня і руйнува­н­ня широкого класу матеріалів в умовах комплексної циклічної дії високих температур, механічних навантажень та агресивних швидкісних газових середовищ. 

Створено термодинамічні основи міцності матеріалів в екс­тремальних умовах при одночасній циклічній дії теплової, механічної та хімічної енергій, що пере­ходять з одного виду в інший; роз­роблено екс­тремалі теплосилового навантаже­н­ня з метою подовже­н­ня ресурсу елементів теплових машин. Роз­роблено методи роз­рахунку та під­твердже­н­ня показників без­від­мовності й довговічності систем, зокрема ракетно-космічної техніки, без перед­баче­н­ня про вид роз­поділе­н­ня і тип випадкових процесів. Ці методи до­зволяють досліджувати залежність типу «маса—надійність» і проводити оптимізацію норм надійності за різними критеріями ефективності.

На базі Т. м. роз­роблено нові технології, апаратуру, при­строї, зокрема: 

• технологію кавітаційної імпульсної гідроабразивної обробки металевих поверхонь; 
• датчики вимірюва­н­ня мит­тєвих значень витрат рідини, що при­значені для вимірюва­н­ня швидко­змінюваних витрат маловʼязких рідин у трубо­проводах; 
• технологію бурі­н­ня свердловин та приладів для його здійсне­н­ня; 
• технології отрима­н­ня жаро­стійких покрит­тів на теплонапружених поверх­нях рідин­ного ракетного двигуна середньої та малої тяги й під­вище­н­ня стійкості кон­струкційних матеріалів в умовах імпульсного навантаже­н­ня факторами різної фізичної природи; 
• технологію гальванопластичного формува­н­ня особливо тонкостін­них елементів дзеркальних антен та ін. приладів, що за­стосовуються в антено-хвилевідній НВЧ-техніці; 
• унікальне устаткува­н­ня для механічних ви­пробувань матеріалів різних класів при складному напруженому стані в діапазоні температур 50—1600 К; 
• ви­пробувальні при­строї та прилади, автоматизовані і споряджені системами керува­н­ня процесом ви­пробувань, охолодже­н­ня чи на­гріву, тензо- й термометрії, що до­зволяє реалізовувати складні про­грами навантаже­н­ня при низьких (до 50 К) та високих (до 1600 К) температурах. 

Варто ви­окремити створений в Ін­ституті технічної механіки НАНУ і ДКАУ (Дні­про) плазмо­електродинамічний стенд з унікальними характеристиками, що до­зволяє моделювати та імітувати умови взаємодії космічних апаратів із довкі­л­лям на геостаціонарних, високоеліптичних та геополярних орбітах (висота 150—40 000 км).