СВОЕОБРАЗНЫЙ "РЕЗОНАНС"

Впервые в мире удалось зажечь объемный стационарный электрический разряд с большой плотностью тока в гиперзвуковом потоке. Этот неожиданный физический эффект, изменяющий волновую картину сверхзвукового и гиперзвукового течений, зафиксирован экспериментально на аэродинамических трубах в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН (Россия) и в Лаборатории аэродинамических исследований города Пуатье (Франция).

Галина Шпак
"НВС"

Решил нетривиальную "двойную" задачу аспирант ИТПМ СО РАН Антон Лебедев. 31 января в Центре аэродинамических и тепловых исследований города Пуатье он защитил диссертационную работу "Экспериментальные исследования объемных электрических разрядов в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа".

На защите впервые встретились научные руководители диссертанта — профессор Тьерри Алзиари де Рокфор — с французской стороны и профессор Василий Михайлович Фомин — с российской. Антон Лебедев был между ними хорошим "проводником", поэтому и установился своеобразный "резонанс" — взаимное усиление мысли ученых, занимающихся аэродинамикой, наукой, возникшей в двадцатом веке. Не могу удержаться и напомню, что в 1891 году Отто Лилиенталь совершил первый парящий полет. Буквально через год французский ученый и публицист Шарль Пише зафиксировал Это возникающее: "Можно с полной уверенностью предположить, что в 1992 году появятся воздушные аппараты, которым не нужны будут никакие колеи и которые смогут передвигаться в любом направлении. Они также существенно облегчат международное сообщение..." Можно по достоинству оценить прозорливость предшественников и улыбнуться улыбкой очевидца, знающего, насколько лет ошиблись наши "прапра...". А вот цитата из недавних прогнозов: "Освоение космического пространства дало толчок совершенствованию и стремительному развитию технологии и техники в самолетостроении. Этот прогресс не ограничивается формулировкой концепций создания и использования гигантских воздушных кораблей. Довольно интересные перспективы открываются на пути создания самолетов с вертикальным стартом и дальнейшим совершенствованием вертолетов..." Стремительное развитие техники и технологии отражает движение научной мысли. Образно говоря, теория и эксперименты современной аэродинамики направлены и действуют вперед летящего тела — ракеты или самолета. Общая идея, в том числе исследователей Института теоретической и прикладной механики СО РАН, связана с созданием гиперзвукового летательного аппарата. Чтобы аэрокосмический самолет взлетел, нужен принципиально новый двигатель. Как говорит директор института, член-корреспондент В.Фомин, нужно выводить технику и высокие технологии на новые параметры. Кто сможет проводить эксперименты на Земле, тому и в Воздухе откроются новые дороги. Новые аэродинамические трубы ИТПМ позволяют приближаться к цели.

В контексте крупной мировой проблемы задача, предложенная профессором В.Фоминым своему аспиранту, выглядела несколько экзотично: возможно ли с помощью энергии в виде электрического разряда активно влиять на аэродинамические характеристики летательного аппарата? На студенческом жаргоне это задача "на сопротивление тел". Существует много способов управления потоками газа вблизи тела. Даже такие необычные, с использованием лазерной искры... Но зажечь разряд вблизи тела? В литературе подобные эксперименты не описывались, хотя сама постановка задачи, вернее некие мысли по этому поводу вроде бы витали в воздухе. К тому же, если учесть, что современный эксперимент стал поистине искусством с особыми навыками и умением, и что экспериментальные методы несводимы к общим правилам, — то и результат опыта не исключает риска остаться только экзотическим явлением. А вот Антону Лебедеву, благодаря счастливым обстоятельствам, удалось подтвердить результат на двух аэродинамических трубах и показать — как можно управлять ударной волной с помощью энергии электрического разряда.

СКВОЗЬ НЕВИДИМУЮ
"ЧЕРНУЮ" УДАРНУЮ ВОЛНУ

Пока мы шли по коридору старого институтского корпуса, а затем спускались вниз по узкой железной лестнице, чтобы попасть в рабочие помещения лаборатории физики быстропротекающих процессов, я прикидывала в уме цифры.

Студент учится не пять-шесть, а лет пятнадцать, чтобы стать приличным исследователем. В любом деле так. И музыканту требуется не меньше времени, чтобы научиться играть, допустим, на трубе. Аэродинамическая труба в каком-то смысле тоже "духовой" инструмент, так что я причислила Антона Лебедева к немногочисленной группе институтских "трубачей", способных генерировать новые идеи и строить современные аэродинамические установки и комплексы.

Благодаря интересно поставленной задаче и двойной аспирантуре Антон построил "русскую" трубу и "французскую". Строил параллельно, и эксперименты проводились попеременно — то здесь, в лаборатории ИТПМ, то там — в лаборатории города Пуатье.

Разумеется, у него были помощники и не только по конструкторской части.

В принципе первая установка на три Маха (М=3,2, что превышает скорость звука в три раза) обошлась очень дешево. Некоторые ее детали были найдены на институтской свалке отработанного, никому не нужного железа. Пришлось и самому поработать на фрезерном станке и вместе со студентами чистить-красить комнату, где монтировалась труба. На вид она скромная, небольшая, длиной не более двух метров, такая "студенческая", но довольно тонкая установка. Как у всех — сверхзвуковых или гиперзвуковых — у нее есть еще скрытая часть в подполье, в подземелье, где находится вакуумный насос и другое специальное оборудование. Обычно эта труба работает с легким посвистыванием. По сравнению с другими трубами, она очень тихая.

Когда мы вошли в комнату, труба молчала. Она напоминала скульптуру — осьминога с усеченными щупальцами.

— Да, похожа, — отозвался Антон. — Пришлось помучиться не меньше года. Создавая установку, искал технологию, необходимые условия для получения искомого разряда. И в значительной степени — технологию конструирования самих моделей — из каких материалов их надо сделать, учитывая противоречивые условия эксперимента. Это были осесимметричные модели, которые имели форму тупого цилиндра, а также цилиндра с головной частью в виде усеченного конуса и полусферы. В диаметре не больше карандаша. Для того, чтобы наблюдать процесс, в рабочей части трубы сделаны смотровые окна. Сквозь эти специальные стекла проводились специфические съемки, да и попросту можно было сфотографировать разряд обычным фотоаппаратом. Разряд напоминает пламя свечи, горящей в совершенно невозмущенной атмосфере — розовое такое пламя столбиком, совершенно не колышется.

— Но сначала вы все это получили, как говорится, на бумаге?

— На бумаге сделать что-либо было почти невозможно, потому что разряд — это "такой зверь", живущий своей интересной жизнью. Он очень чувствителен к технологии своего рождения и содержания, то есть все зависит от модели и внешних условий. Можно получить дугу или некий пробой. Что угодно, но только не устойчивый, объемный разряд...

Разряд, точнее — два разряда — "русский" и "французский" — я увидела только на картинках.

— Ответ красивый, но как возникает задача? Просто стукнуло в голову?

— Существовал проект, была задача о проектировании такого летательного аппарата, который бы использовал эффекты магнитной газодинамики в своем рабочем тракте, то бишь, — двигателя именно гиперзвукового аппарата. Нельзя ли как-то оборачивать эту энергию таким образом, чтобы использовать для улучшения свойств подобного аппарата? Примерно так звучало. Над этим проектом работали разные институты в Москве, Санкт-Петербурге и здесь, в Новосибирске.

— Как известно, ни двигателя, а значит — и аэрокосмического самолета, еще не существует.

— Но из этой большой задачи возникла другая. Хотя и маленькая часть, но самостоятельная. Первоначальная ее формулировка была приблизительно такая: возможно ли с помощью выделения энергии в виде электрического разряда активно влиять на аэродинамические характеристики при внешнем либо внутреннем обтекании тел со сверхзвуковым потоком газа? Это должен быть довольно сильный ток — объемный и устойчивый. Но будет ли существовать такой разряд? В литературе — почти никаких данных. И уверенности не было — загорится ли?! Когда все-таки удалось получить искомый разряд, выяснилось, что он действительно видоизменяет волновую картину, структуру сверхзвукового течения.

— На картинке все просто, но как организуется, возникает разряд? В потоке газа между собственно обтекаемым телом вроде маленькой ракеты? И чем?

— Да, между "ракетой" диаметром с карандаш и расположенным выше по потоку вторым электродом и возникает разряд. Смотрите, — вот эта розовая область и синяя бывает. Разряд может гореть постоянно в течение всего эксперимента. Труба включается на 30 секунд и разряд горит столько же, но его горение ограничивается не технологией зажигания, а длительностью работы аэродинамической трубы. В принципе разряд может гореть сколь угодно долго. Посмотрите, что получается, когда мы зажигаем разряд, — обтекание тела сверхзвуковым потоком. Видите черную черту?

— Петля такая?

— Это то самое явление, называемое "ударной волной". Это такой слой, за которым возрастают давление газа, его плотность и температура. Ударная волна, эта поверхность, не видна невооруженным глазом. Существуют специальные методы визуализации, и получается картинка. Когда сквозь ударную волну проходит воздух, он начинает сильнее давить на тело. Давление как раз обусловливает сопротивление тела. Если давление возрастает, — действует сила, которая мешает полету. Так вот, с помощью электрического разряда мы получили почти восьмикратное снижение давления торможения. Что нас интересовало? Устойчивость процесса. Разряд был получен таким, что он имеет устойчивый характер с очень большой скоростью. Мы сделали совмещенную фотографию — внешний вид разряда плюс волновая картинка.

— Вот, вот, самое интересное — геометрия ударной волны — как, куда она исчезает? Мне любопытны подробности.

— Это то, ради чего затевались эксперименты. Уточняю — сопротивление тела во многом обусловлено именно ударными волнами. Когда со сверхзвуковой скоростью летит некое тело — стрела, ракета, самолет — всегда образуется преграда — ударные волны создают так называемое волновое сопротивление и довольно значительное, тем более при гиперзвуковых скоростях. Если каким-то образом убрать эти волны или так изменить их конфигурацию, чтобы не мешать полету — такую задачу Фомин Василий Михайлович и ставил, то есть — как повлияет электрический разряд на структуру ударной волны, на ее геометрию. И нельзя ли вообще ее "убрать".

— Чтобы она исчезла?

— Об исчезновении тогда речь вообще не шла. Просто посмотреть, что произойдет, если поменять геометрию ударной волны. Как повлияет — положительно или отрицательно. Однажды это произошло. Я пригласил своего руководителя, чтобы не одному убедиться в существовании эффекта. Вдруг ошибся? Он пришел, посмотрел и сказал: "Хорошо. Продолжаем работать в этом направлении". Начали исследовать и отметили, что часть ударной волны, находящаяся как бы в центре, вообще исчезает. Иными словами — мы получили изменение ее геометрии.

— Если представить реально такие условия для самолета или космического корабля, — что произойдет?

— Это, конечно, еще из области фантастики, но если бы такие условия можно было бы создать на реальном аппарате, то тогда смогли бы уменьшить мощность двигателя в два раза и при этом лететь с заданной скоростью.

— Тоже интересно.

— Не самолет, конечно, но более "тупое" тело — ракета, например на высоких скоростях и на приличной высоте. Но пока что все остается на уровне маленьких макетов. На уровне фундаментальных исследований, нежели каких-то авиационно-космических предложений.

— А что в подтексте ваших экспериментов?

— Большого подтекста здесь нет. Мы получили тот эффект, который желали получить, но даже в большем объеме, чем предусматривалось. Самое интересное, что был создан сам инструмент — объемный стационарный электрический разряд, который сам по себе неординарный объект для исследований. И сейчас ясно, что еще можно много-много работать. Остаются серьезные вопросы, которые я намереваюсь изучать. Например, — влияние фактора масштаба. Если увеличить головную часть модели в пять, десять раз? Или — какое влияние окажет электрический объемный разряд на сверхзвуковое обтекание тонких тел, профилей, особенно на поведение пограничного слоя. А это добавляет интереса к проблеме.

— Антон, основные эксперименты проходили в лаборатории Пуатье на семи Махах? Именно на гиперзвуковой аэродинамической трубе удалось впервые в мире зажечь электрический разряд.

— Сначала он был получен здесь, в ИТПМ, в сверхзвуковом потоке при числе М=3,2. Эти эксперименты друг друга дополняли. Считаю, что самое главное произошло на малой трубе — доскональная отработка технологии и прочих важных вещей. В экспериментах на гиперзвуковой трубе оказались более сложные условия: энерговыделение в области разряда дополнялось высокой энтальпией набегающего потока. Нужно было как-то решить проблему с теплоизоляцией и электроизоляцией. Технология, найденная здесь, была использована там, в Пуатье. И получилось — подтвердилась ее эффективность. И результаты там и здесь дают более целостную картину. И что поразительно? На совершенно различном оборудовании получены адекватные результаты. Эксперименты, начиная с 1998 года, продолжались вплоть до лета 2000-го года. Под конец у меня появился старенький компьютер. Я его привел в порядок, поставил плату и теперь можно автоматизировать снятие экспериментальных данных.

— Ваш диплом доктора философии или по международным меркам — Ph.D. — признают в России или придется снова защищаться, чтобы стать на русский лад — кандидатом физико-математических наук?

— Этими вопросами я сейчас и занимаюсь — штудирую бюллетень Высшей аттестационной комиссии.

(Окончание следует)