МГТУ им. Н.Э. Баумана (статьи)

В настоящее время на рынке быстрого прототипирования предлагается широкий спектр фотополимеризующихся композиций (ФПК) для лазерной стереолитографии с ультрафиолетовым фотоинициирующим излучением. Данные композиции изготовляют на основе акриловых и эпоксидных мономеров. Наряду с этим разрабатываются ФПК, способные полимеризоваться под действием видимого излучения. Использование таких композиций позволит снизить стоимость стереолитографического оборудования, оснастив его лазерами, генерирующими излучение видимого диапазона. Исследования процессов поглощения видимого излучения новыми ФПК показали тенденции, схожие с процессами поглощения ультрафиолетового излучения традиционными композициями.

Приведена математическая модель оценки глубины сварного соединения при сварке с глубоким проплавлением различных материалов лазерным лучом для практических инженерных расчетов. Глубина проплавления материала определена по усредненному значению скорости испарения, изменение которой в зависимости от времени аппроксимировалось экспонентой. Для проверки адекватности модели проведено сравнение расчетных данных с экспериментальными данными, полученными в ходе проведения лазерной сварки на волоконном лазере ЛС 4-К низкоуглеродистой стали Ст3. Доказана их взаимная корреляция.

Рассмотрены вопросы гибридной лазерной сварки сталей с различной теплопроводностью. Установлено влияние технологических параметров на эффективность лазерного воздействия. Наибольшая эффективность достигается при сварке тонколистовых материалов. Показаны особенности выбора технологических параметров при гибридной сварке закаливающихся сталей.

Проанализирован энергетический баланс процесса лазерной наплавки порошков и проведено его сравнение с типичными экспериментальными данными. Показано, что значительная часть поглощаемой мощности лазерного излучения расходуется на испарение порошка. Изложена методика выбора и оптимизации технологических параметров для лазерной наплавки порошков. Установлено, что теплопроводность порошка может существенно увеличиваться при его плавлении вследствие последовательного образования термического контакта расплава с лежащим ниже слоем частиц. Определен диапазон значений числа Пекле, которые соответствуют эффективной лазерной наплавке порошков.

Рассмотрена технология модифицирования поверхности сталей, алюминиевых и титановых сплавов методом лазерного оплавления. Наиболее перспективно использовать карбид кремния в качестве основного элемента при модифицировании поверхности. Проведены исследования по подбору материала связующего вещества при создании шликера, а также эксперименты по модифицированию поверхности алюминиевого сплава АМг6 при оплавлении шликерного слоя на основе карбида кремния.

Разработан новый комплексный метод лазерного фазового анализа оценки качества нефтепродуктов с использованием лазерного излучения, заключающийся в анализе фазовых превращений в мутной среде при ее охлаждении до застывания и последующем нагреве. Создан автоматизированный измерительный комплекс для экспресс-анализа нефтепродуктов. Отработаны методики оценки температуры замерзания, концентрации воды (обводненности) и изменения вязкости дизельных топлив и моторных масел с применением указанного метода и автоматизированного комплекса.

Применение лазерного излучения для сварки алюминиевых сплавов авиационного назначения позволяет повысить качество сварных соединений и производительность процесса. Использование для сварки волоконного лазера увеличивает эффективность КПД процесса и позволяет использовать роботизированные системы. Применение лазерной сварки для сборки значительно сокращает время сборки за счет применения присадочной проволоки при сварке. Прочность сварных соединений с присадочной проволокой обеспечивает получение благоприятной структуры в шве и околошовной зоне

Рассмотрены вопросы применения мощных технологических лазеров различного типа. Приведены теоретические оценки качества излучения и экспериментальные данные пространственной структуры излучения мощных волноводных СО2- и волоконных лазеров, а также исследована зависимость скорости резания от толщины металла.

Представлены результаты численного моделирования воздействия одиночных помех и групп помех на главный лепесток диаграммы направленности линейной адаптивной антенной решетки с помощью метода собственных диаграмм, включая прием сигналов в полосе частот и коррелированных сигналов.

Выполнен анализ оптических характеристик глобулярных фотонных кристаллов, заполненных органическими и неорганическими соединениями. Методика проведения экспериментов основана на волоконно-оптической регистрации спектров отражения от поверхности искусственных опалов. Построены спектры отражения и их разностные функции, позволяющие определить изменения в составе введенного в поры фотонного кристалла вещества. Разработанный метод может быть применен при контроле качества и состава органических и неорганических веществ.

Представлены результаты математического моделирования алгоритмов адаптации для системы подавления помех в адаптивных антенных решетках с фиксацией главного лепестка и защиты от подавления сигналов, приходящих с заданных направлений.

Рассмотрена нетривиальная возможность селективного отражения, которая связана с пересечением дисперсионных кривых элементарных возбуждений различной физической природы. Определены типы пересечений и выполнена классификация спектральных кроссоверов. Для металлов, полупроводников и диэлектриков выведены формулы для условий наблюдения спектрального кроссовера в намагниченном ферромагнетике.

Предложен новый способ описания неупорядоченных структур мономолекулярных веществ с помощью функции плотности вероятности распределения ближайших узлов решетки — s-функции. Проанализирована связь s-функции с функцией двухчастичного распределения, выведено уравнение состояния с параметром неупорядоченности. Найдены асимптотики температурных зависимостей параметра неупорядоченности. Впервые указана связь параметра неупорядоченности со статистикой распределения расстояний между узлами

Рассмотрено применение метода многочастичных функционалов плотности к описанию энергетических характеристик многоэлектронных атомов и ионов. Представлены результаты численного расчета энергии основного состояния ряда многоэлектронных атомов и ионов, выполнены оценки энергий ионизации. Показано, что использование метода многочастичных функционалов плотности позволяет корректно описывать энергетические характеристики не только положительно заряженных ионов и нейтральных атомов, но и отрицательных ионов.

Показано, что поле скоростей движения атмосферы влияет на направление распространения излучения, а также на длину оптической трассы и, соответственно, изменяет время распространения излучения и восстановленное положение излучающего объекта. Предложенная в работе модель позволяет учитывать слоистое движение атмосферы астрофизического объекта. Она может быть использована для расчетов в режиме реального времени, ее основу составляет координатное решение дисперсионного уравнения электродинамики движущихся сред.

Рассмотрены геометрический и кинематический подходы к вычислению кривизны кривой, заданной как параметрическим способом, так и в виде неявного уравнения. Приведен подробный вывод формулы для вычисления радиуса кривизны кривой, описанной обоими типами уравнений. Особое внимание уделено сравнению двух подходов и связи таких наук, как физика, дифференциальная и аналитическая геометрия.

Рассмотрено взаимодействие положительных ионов водорода с поверхностью металла путем анализа структуры электронного газа металла в присутствии протона. Расчеты проведены в рамках теории многочастичных функционалов плотности. Получены результаты для энергетических характеристик взаимодействия иона водорода с поверхностью и пространственной структуры электронного газа в системе металл — адатом.

Рассмотрены наноразмерные системы невзаимодействующих фермионов с цилиндрической симметрией (квантовые проволоки), находящиеся в простейшем прямоугольном удерживающем потенциале. Показано, что для квантовых систем пониженной размерности вырождение уровней в первую очередь определяется симметрией задачи, причем в зависимости от конкретного вида потенциала оказывается возможным не только вырождение, обусловленное наличием осевой симметрии, но и случайное вырождение. Таким образом, состояние с одной и тойже энергией соответствует различным пространственным распределениям электронов, что приводит к расхождению результатов для электронной плотности, определяющей в частности отклик системы на внешнее воздействие. Из этого следует, что привычный метод оценки достоверности полученных при теоретическом анализе результатов — сравнение энергетических характеристик — не позволяет судить о том, насколько близок к действительности расчет электронной плотности.

Рассмотрен вопрос о единственности решения вариационной задачи в методе функционалов плотности для квантовых нерелятивистских систем многих частиц и о формировании критериев, позволяющих сделать вывод о достоверности полученных результатов. Показано, что используемый на практике критерий — хорошее согласие теоретических и экспериментально определяемых значений полной энергии системы — не может выступать в этом качестве. Во всяком случае, его можно принимать только как вспомогательный, но не как основной критерий. Оценить истинность полученных вариационным методом результатов можно после проведения дополнительных исследований.

Рассмотрена структура и свойства фотонных кристаллов — квантитов, которые представляют собой кристаллические структуры с периодически расположенными квантовыми точками диэлектриков, сегнетоэлектриков, магнетиков или металлов. В этих кристаллах обнаружены запрещенные фотонные зоны, а также спектральные области, характеризующиеся отрицательным показателем преломления и аномальным замедлением электромагнитных волн. Возможно применение квантитов в качестве оптических элементов с отрицательным преломлением, селективных зеркал, узкополосных светофильтров и др.

Исследованы оптические свойства резонансных фотонных кристаллов на примере искусственных опалов с нановключениями оксида европия. Определены дисперсионные кривые, коэффициенты отражения света, эффективные показатели преломления, групповые скорости и эффективные массы электромагнитных волн в исходном опале и резонансном фотонном кристалле. Проведено сопоставление теории с экспериментом по спектрам отражения и фотолюминесценции в отраженном свете. Рассчитаны параметры электромагнитных волн на резонансном уровне.

Рассмотрены обобщения теоремы сравнения решений задачи Коши для уравнений типа турбулентной фильтрации по функциям источника и начальным данным. На примере показана нетривиальность этих обобщений. Применение указанных методов облегчает общие исследования решений дифференциальных уравнений параболического типа, возникающих в теории пограничного слоя, при описании сдвиговых течений степенных реологических жидкостей, в теории лучистого теплопереноса и др.

Разработан метод обработки временных интерферограмм на основе разложения Якоби – Энджера. Исследованы структуры функции ошибки, выбора оптимальных начальных приближений и скорости сходимости различных методов оптимизации. Разработанный метод обработки позволил увеличить соотношение S/N до уровня порядка 105 в эксперименте по исследованию трехмерного эффекта Физо.

В основе квантового причинного анализа, являющегося эффективным методом исследования асимметричных запутанных состояний, лежит использование энтропий фон Неймана. В данной работе рассмотрено построение причинного анализа, который базируется на томографических энтропиях. Квантовые томограммы представляют собой неотрицательные функции распределения вероятностей, получаемые в ходе эксперимента. В качестве примера использования томографического квантового причинного анализа исследованы чистое максимально запутанное и смешанное асимметричное состояния. Получена связь между исходным направлением причинности и направлением квантово-томографической причинности.

Предложена модель равновесной структуры магнитных сплавов на основе системы Fe–Cr–Co, которая представляет собой сильно вытянутые по направлению выделения ферромагнитной фазы, изолированные прослойками парамагнитной матрицы. Такая структура формируется при спинодальном распаде сплавов на основе системы Fe–Cr–Co с объемно центрированной кубической решеткой. Данная модель использована для вычисления вклада энергии упругих деформаций кристаллических решеток когерентно сопряженных фаз в свободную энергию образования сплава, и с ее помощью получены уточненные значения концентраций компонентов в состоянии фазового равновесия.

Исследована электропроводимость структурно-неоднородных проводников при высокой плотности тока, достаточной для осуществления процесса необратимого, не термоактивируемого деформирования. В результате анализа вольт-амперных характеристик проводников рассчитана энергия, выделяемая при перестройке дислокационной структуры. В рамках теории пластического деформирования под действием электрического тока проведена оценка количества дислокаций, участвующих в структурных превращениях. Учтено влияние магнитного поля тока на перемещение вакансий в твердом теле. Показана возможность косвенного наблюдения структурных изменений в проводящих средах и их влияния на электросопротивление.

Получена функция распределения флуктуаций скорости броуновской частицы с учетом случайных гауссовых изменений коэффициента вязкого трения. Показано, что эта функция распределения в предельных случаях совпадает с распределениями Коши и Максвелла.

Обосновывается возможность применения интерферометра Фабри – Перо для регистрации высокочастотных флуктуаций метрики пространства-времени. Показано, что использование явления низкочастотного оптического резонанса позволяет повысить чувствительность интерферометра к сверхнизким флуктуациям метрики.

Предложен ператорный способ вывода эволюционных уравнений. Приведены примеры использования нового способа к выводу уравнений простых волн типа Кортевега – де Фриза, Бенджамина – Оно и Бюргерса.

Рассмотрены процессы плавления в гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной решетках. Предполагается, что взаимодействия между частицами описываются потенциалом Леннарда –Джонса. Вычислительные эксперименты проведены методом молекулярной динамики. Показано, что функции парного распределения могут быть построены при использовании приближенного метода s-функций. Установлено, что в точке плавления параметр неупорядоченности изменяется скачкообразно, в то время как температурная зависимость эффективного параметра решетки определяется видом решетки.

С использованием представления для симплектической томограммы через интеграл Фейнмана по траекториям строится томографическая теория возмущений. Найдено представление для томограммы, которое аналогично борновскому разложению волновой функции. Предлагаемый метод позволяет искать решения для эволюционного уравнения Фоккера – Планка в виде ряда теории возмущений. Рассмотрено разложение томограммы, основанное на свойстве ее однородности.

Дан обзор истории создания лаборатории научно-исследовательских работ студентов (НИРС), рассмотрены основные направления деятельности зала НИРС кафедры “Физика” МГТУ им. Н.Э. Баумана. Объем и разнообразие тематики проводимых лабораторных работ соответствуют различным областям современной физики и ее применений, что позволяет обучающимся активно участвовать в учебной деятельности университета. При переходе от традиционного лабораторного практикума к практикуму с элементами научно-технических исследований обеспечивается качественно более высокий уровень подготовки будущих специалистов.

В процессе структурирования ледового покрытия для спортивных арен необходимо прецизионное поддержание значений концентрации модификаторов в поверхностном слое льда. Приведены экспериментальные данные о влиянии изменения концентрации на длину пробега тестового прибора-скользиметра. Разработана расчетная модель, позволяющая определять концентрации модификаторов в поверхностном слое льда при периодических его обновлениях с погрешностью 7. . . 13% (в сравнении с экспериментальными данными). Представлены изображения структур модифицированных ледовых покрытий, полученные с помощью растрового криоэлектронного микроскопа.

Рассмотрены особенности расчетов теплообменника-испарителя(газификатора) криогенного топлива, изготовленного из труб, а также теплообмена со стороны криогенного топлива при различных условиях его состояния, т.е. при давлениях больше и меньше критического. Источником тепловой энергии для газификации является горячий поток выхлопных газов турбореактивного двигателя.

Рассмотрена инновационная двухкаскадная холодильная установка с вакуумной нижней ступенью, использующая в качестве рабочего тела воду. Вакуумная ступень смонтирована в едином блоке, который включает в себя уникальный по размерам турбокомпрессор, концевой теплообменник-конденсатор, камеру с мешалкой и другие элементы. Такое конструктивное решение позволило создать экологичные холодильные установки, которые обеспечивают высокие показатели эффективности в сочетании со снижением роли озоноразрушающих и парниковых рабочих тел. На базе таких установок уже сегодня разрабатываются высокопроизводительные рефрижераторы, генераторы жидкого льда и снегогенераторы.

Рассмотрены подходы к моделированию высокотемпературных сверхпроводников с учетом их дефектов. Проведено компьютерное моделирование качества сверхпроводящих свойств в целях получения данных о допустимых параметрах распределения кристаллических дефектов, при которых гарантируется критический ток. Полученные данные можно использовать для управления процессом получения сверхпроводника с гарантированным качеством его сверхпроводящих свойств.

Предложена новая технологическая схема установки для получения жидкого азота. Установка состоит из адсорбционной воздухоразделительной установки для получения газообразного азота и машины “Филипс” и позволяет снизить на удельные энергозатраты на единицу получаемого продукта по сравнению с установкой, состоящей из машины “Филипс” и азотной колонны. Предлагаемая схема может быть использована и для получения жидкого кислорода, если адсорбционную воздухоразделительную установку АВРУ-А заменить на АВРУ-К.

Приведены основные способы реализации общей воздушной криотерапевтической процедуры. Дана краткая характеристика процедуры с теплофизической точки зрения. Отдельно описаны установки, использующие запас жидкого азота и холодильные машины. Проведен сравнительный анализ эффективности установок и основных проблем при эксплуатации. Предложены варианты перспективных установок.

Разработанные криогенные и сверхвысокочастотные электромагнитные технологии лечения врожденных заболеваний позволяют с успехом лечить детей с гемангиомами, ранее подвергавшихся тяжелым и многоэтапным операциям, сокращают сроки лечения, предупреждают рецидивы заболевания и обеспечивают не только полное излечение заболевания с хорошим результатом (99,8 %), но и сохраняют ребенку жизнь и внешность.

Рассмотрены различные способы организации испарительного охлаждения воды. Приведены сравнительный анализ указанных способов, границы применимости предлагаемого способа.

Методом энтропийно-статистического анализа исследованы циклы (простой и с экономайзером) парокомпрессионной холодильной машины, работающей в режиме кондиционирования воздуха на разных хладагентах. Расхождение полученных расчетных значений адиабатной работы сжатия со значениями, определенными по диаграммам. Проведенный в рамках энтропийно-статистического анализа расчет распределения потерь работы в холодильной машине дает возможность выделить определенные элементы (узлы), которые требуют особого внимания. Выявлено также влияние вида хладагента на распределение потерь работы сжатия в холодильной машине.

Методом энтропийно-статистического анализа исследованы простой, с промежуточным хладагентом и регенеративный циклы одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины, работающей в режиме кондиционирования воздуха на разных хладагентах. Расхождение полученных в результате анализа расчетных значений адиабатной работы сжатия со значениями, определенными по диаграммам.

Приведены результаты численного анализа работы высокооборотного многорядного парожидкостного поршневого детандера форсированного по частоте вращения вала и средней скорости поршня. Численный эксперимент базируется на использовании программы расчета, учитывающей реальность рабочего вещества, конечность объемов полостей, примыкающих к цилиндру, и фазовые переходы в течение рабочего цикла. Показана принципиальная возможность повышения на 25–30% массового расхода детандера при оптимизации геометрических параметров элементов выходного тракта и сохранении значения расчетного изоэнтропного коэффициента полезного действия. Приведены результаты оценки интенсивности процессов теплообмена на различных участках рабочего цикла.

Выполнено моделирование работы холодильной установки малой производительности. Приведены математическая модель установки, система уравнений модели, методы решения системы уравнений, а также результаты расчетного и экспериментального исследование режимов работы холодильной установки.

Разработан тепловой насос, использующий для получения высокотемпературного потока азота теплоту охлаждающей воды воздушных компрессоров. Показано, что использование низкопотенциальной теплоты в промышленных установках оправдывает себя, а дальнейший положительный эффект определяется применением более совершенного компрессорного оборудования и затратами на электроэнергию, стоимость которой непрерывно повышается.

Проведено обобщение материалов о волновых криогенераторах с энергообменными каналами. Выявлены основные возможные схемы организации энергообмена в волновых криогенераторах. Определено преимущество в эффективности схем энергообмена с двумя пульсаторами перед схемами с одним пульсатором. Сделан вывод о том, что самым эффективным с точки зрения организации энергообмена является роторный волновой криогенератор.

Приведен анализ воздушного интегрированного цикла для одновременной генерации теплоты и холода. Показано, что степень термодинамического совершенства подобных циклов может достигать 50% и более, что весьма существенно для снижения энергозатрат. Определены также другие характеристики цикла.

Приведено сравнение систем холодоснабжения с контуром вторичного хладоносителя на основе однофазного и двухфазного хладоносителей в общем случае. Проанализированы энергозатраты на обеспечение процесса охлаждения в каждом из вариантов.

Незаменимость 3Не почти во всех областях его применения и отсутствие традиционного сырья для его производства сегодня являются причиной появления дорогостоящих проектов его добычи из реголита Луны. Компромиссным решением проблемы нехватки не может быть его получение криогенными методами из то- варного гелия, являющегося природной смесью изотопов гелия-4 и 3Не. Представлены результаты приближенного анализа затрат на термостатирование в криогенной технологии получения 3Не из природного гелия.

Рассмотрены промышленные и лабораторные методы приготовления газовых смесей. Показаны преимущества и недостатки объемных и поточных смесителей. Даны примеры расчета числа компонентов при получении смесей манометрическим и гравиметрическим методами. Созданы системы для приготовления смесей в виде криогенных жидкостей. Названы сферы рационального использования рассмотренных смесительных устройств.