Аннотация. Представлены результаты комплексных экспериментальных исследований по моделированию струй жидкостных ракетных двигателей малой тяги в условиях вакуума, выполненных в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (ИТ СО РАН). Двигатели данного класса, имеющие тягу в диапазоне от 5 до 4000 Н, являются ключевым элементом систем управления ориентацией и коррекции орбиты космических аппаратов и орбитальных станций. Исследования проведены на уникальной научной установке «Вакуумный газодинамический комплекс ИТ СО РАН», включающей крупномасштабную вакуумную газодинамическую камеру «ВИКИНГ». Данная установка позволяет проводить исследования струй разреженного газа в условиях, имитирующих реальные условия космического пространства. В работе детально рассмотрены методологические основы моделирования, основанные на сохранении интегральных газодинамических характеристик струй, включая характерный угол расширения и относительный импульс. Особое внимание уделено исследованию трех основных типов воздействия струй на конструкции космических аппаратов: силового, теплового и физико-химического (загрязняющего). Разработаны и обоснованы критерии моделирования, учитывающие как газовую, так и капельную фазы течения. Проведена систематизация результатов для различных компоновок двигателей, применяемых в отечественных и международных космических программах. В ходе экспериментов выявлены фундаментальные механизмы формирования обратных загрязняющих потоков и разработаны эффективные газодинамические защитные устройства для их минимизации. Методология исследований включала применение современных диагностических методов, в том числе электронно-пучковой диагностики и лазерной стробоскопии. Результаты модельных исследований успешно сопоставлены с данными натурных космических экспериментов на Международной космической станции, что подтвердило высокую достоверность примененной методологии и эффективность предложенных технических решений. Разработанные защитные устройства позволили снизить уровень загрязнения продуктами неполного сгорания компонентов топлива внешних поверхностей станции на несколько порядков, существенно повысив ее эксплуатационную надежность. Полученные результаты вносят значительный вклад как в развитие фундаментальной науки в области динамики разреженных газов и газожидкостных течений, так и в решение практических задач современной космонавтики.

Ключевые слова: космических аппаратов, моделирование в вакуумных камерах, обратные потоки, газодинамические защитные устройства, натурные космические эксперименты

Для цитирования: Ярыгин В. Н., Приходько В. Г., Ярыгин И. В. Экспериментальное моделирование струй жидкостных ракетных двигателей малой тяги // Аэрокосмическая техника и технологии. 2026. Т. 4, № 1. С. 51–65. https://doi.org/10.52467/2949-401X-2026-4-1-51-65 ; https://elibrary.ru/SHVDFG

Библиографический список
1. Akhlaghi H., Roohi E., Stefanov S. A comprehensive review on micro- and nano-scale gas flow effects: Slip-jump phenomena, Knudsen paradox, thermally-driven flows, and Knudsen pumps // Physics Reports. 2023. Vol. 997. P. 1–60. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2022.10.004
2. Dubrovin K. A., Zarvin A. E., Kalyada V. V., Yaskin A., Dering E. D. Application of electron beam diagnostics for the study of rarefied clustered gas flows // Vacuum. 2023. Vol. 218. P. 112652. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112652
3. Wu J., Zheng P., Zhang Y., Tang H., Recent development of intake devices for atmosphere-breathing electric propulsion system // Progress in Aerospace Sciences. 2022. Vol. 133. P. 100848. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2022.100848
4. Ярыгин В. Н., Ребров А. К., Кутателадзе С. С. Некоторые проблемы молекулярной газодинамики // Вестник АН СССР. 1984. № 4. С. 79–85.
5. Rebrov S., Gerasimov Y. Investigation of the Contamination Properties of Bipropellant Thrusters // AIAA 35th Thermophysics Conf., 11-14 June 2001, Anaheim, California: AIAA Paper 2001. No. 2001–2818. https://doi.org/10.2514/6.2001-2818
6. Trinks H., Kaelsch I. Exhaust Plume Effects of Small Thrusters on Spacecraft // AIAA 22nd Thermophy-
sics Conf., June 8–10, 1987, Honolulu, Hawaii: AIAA Paper 1987. No 87–1603. https://doi.org/10.2514/6.1987-1603
7. Gerasimov Yu. I., Krylov A.N. et al. Problems of Gas-Dynamical and Contaminating Effect of Exhaust Plumes of Orientation Thrusters on Space Vehicles and Space Stations // Proceedings 25th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics (RGD25), St.-Petersburg, Russia, 21–28 July 2006. P. 598–603.
8. Gochberg L. A. The electron beam fluorescence technique in hypersonic aerothermodynamics // 18th AIAA Aerospace Ground Testing Conf. AIAA Paper. No. 94-2635. 1994. 42 P. https://doi.org/10.2514/6.1994-2635
9. Ярыгин В. Н., Приходько В. Г., Ярыгин И. В. Струйное истечение газовых и газокапельных потоков в вакуум // Прикладная механика и техническая физика. 2023. Т. 64, № 5. С. 59–69. https://doi.org/10.15372/PMTF202315322
10. Ярыгин В. Н. Защита от ракетных выхлопов // Наука из первых рук. 2011. № 1. С. 20–27. https://elibrary.ru/NREGFT
11. Афанасьев И. Коварная «Кромка» // Новости Космонавтики. 2004. №4. С. 15–16.
12. Krotov S. V., Nazarov A. D., Pavlenko A. N., Pecherkin N. I., Serov A. F., Chekhovich V. Yu. Capacitive measurer of the local thickness of a liquid film. Instruments and Experimental Techniques. 1997. Т. 40. № 1. С. 136–139. https://elibrary.ru/LECORV
13. Приходько В. Г., Чекмарев С. Ф., Ярыгин В. Н., Ярыгин И. В. Сверхзвуковое истечение газа из сопла в вакуум с пристенной пленкой жидкости: эффект подъема пленки по наружной поверхности сопла против сил тяжести // Доклады Академии Наук. 2004. Т. 394, № 5. С. 618–620. https://elibrary.ru/DN:OPSSGX
14. Герасимов Ю. И., Ярыгин В. Н. Газодинамические защитные устройства для двигателей ориентации космических аппаратов и орбитальных станций. Концепция, модельные и натурные эксперименты // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т. 17, № 4. 21 c. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-4/articles/671/ ; https://elibrary.ru/YNFULV