В ИНТЕРЕСАХ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ
СИСТЕМ БУДУЩЕГО

Наш корреспондент В.Макарова встретилась с заведующим сектором ИТПМ, кандидатом физико-математических наук Александром Желтоводовым.

— Александр Андреевич, расскажите как вы стали сотрудничать с американцами, что их интересует.

В 1985 году по инициативе директора нашего института академика Н.Яненко я впервые выехал за рубеж, в научную командировку в США по приглашению Американской академии наук. Николай Николаевич посчитал важным направить в эту поездку вместе со специалистом в области вычислительной аэродинамики В.Ковеней меня, экспериментатора, поскольку придавал большое значение развитию надежных методов расчета в аэромеханике, апробированных экспериментом.

А.Желтоводов, к.ф.-м.н. ИТПМ СО РАН и Г.Сэттлс, профессор Пенсильванского университета (слева).

Среди многих, с кем мне посчастливилось встретиться в ходе поездки, был директор газодинамической лаборатории Пенсильванского университета профессор Гари Сэттлс, который является известным исследователем турбулентного отрыва. Ознакомившись с полученными у нас в ИТПМ результатами, проф. Сэттлс предложил принять участие в создании международной базы экспериментальных данных с целью верификации расчетных методов, ориентированных на проектирование современных аэрокосмических аппаратов. В частности, в США в это время велись активные исследования в рамках программы NASP — создания воздушно-космического самолета, и база данных ориентировалась на эту программу.

Выполненные нашей группой в ИТПМ экспериментальные исследования взаимодействия скачков уплотнения с турбулентным пограничным слоем в окрестности различных канонических конфигураций, моделирующих элементы сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов, позволили получить обширную информацию о газодинамической структуре таких течений, характеристиках турбулентности и закономерностях теплообмена. Именно такие полные данные составляют сегодня основу для развития и тестирования современных методов расчета. Учитывая отсутствие в то время современных персональных компьютеров и других средств, которыми мы располагаем сегодня, а также поскольку пришлось переосмыслить и подготовить в надлежащем виде результаты, полученные примерно за 10 лет, эту работу мы делали несколько месяцев. Я хотел бы отметить большое участие в ней моих бывших аспирантов Э.Шилейна, В.Яковлева, а также сотрудника нашего института В.Трофимова. Признаюсь, что не один раз возникало желание прекратить это сложное и хлопотное дело и, возможно под влиянием аналогичных причин, с "дистанции сошли" другие российские ученые, которые сначала тоже выразили желание поучаствовать. Когда я вдруг узнал, что мы остались одни, то стало "за державу обидно", и мы довели эту большую подготовительную работу до конца.

В 1989 году наш институт посетили представитель Пенсильванского университета проф. Г.Сэттлс, представитель НАСА Эймс доктор С.Хорстман и представитель Рутгерского университета проф. Д.Кнайт. Переданные американской стороне наши результаты прошли не одну экспертизу, в которой участвовали специалисты различных центров Американского аэрокосмического агентства НАСА — экспериментаторы и расчетчики, разработчики аэрокосмической техники. Нам была задана масса дополнительных вопросов, пришлось не один раз подискутировать. Наконец, мы получили сообщение, что результаты одобрены и включены в международную базу НАСА Эймс. В 1990 году они были официально опубликованы в соответствующем виде и стали использоваться для верификации современных методов расчета в различных центрах мира. Доктор С.Хорстман и проф. Д.Кнайт были в числе первых экспертов-вычислителей, которые использовали наши экспериментальные данные для проверки выполненных ими расчетов двумерных и пространственных турбулентных отрывных течений на основе различных современных методов.

Возникшие связи в дальнейшем способствовали появлению целого ряда новых международных программ и проектов, которые нами продолжаются до настоящего времени.

— Пользуются ли вашими результатами в России?

— Полученные нами результаты экспериментальных исследований в свое время использовались в известных отечественных авиационных ОКБ им. Туполева и Микояна. Я имею в виду исследования в интересах проекта первого сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144 и других сверхзвуковых летательных аппаратов. Физические исследования различных типов турбулентных отрывных течений в окрестности упрощенных канонических конфигураций, моделирующих обтекание управляющих поверхностей, воздухозаборников и других элементов летательных аппаратов были начаты мной под руководством В.Демьяненко и со временем активно продолжались уже совместно с моими учениками. Эти результаты используются для уточнения закономерностей турбулентного отрыва и верификации различных методов расчета, развиваемых как в нашем институте, так и в таких известных организациях страны, как ЦАГИ,ЦИАМ, Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша, ВЦ РАН в Москве и некоторых других центрах.

В связи с высокими ценами на электроэнергию, приборы, материалы особенно сложно стало проводить экспериментальные исследования, хотя определенные трудности есть, конечно, и у вычислителей. Резкое падение объема производства и спроса в различных отраслях промышленности, включая авиационную и космическую, сильно отразились на нашем финансировании. Естественно, это наложило отпечаток как на объем, так и на направление наших исследований, способствовало поиску новых заказчиков. Хотя и в более скромных объемах, мы продолжаем экспериментальные исследования, результаты которых пользуются спросом как в нашей стране, так и за рубежом. Доля исследований в рамках международного сотрудничества стала весьма значительной, и это очень важно.

Помня Ваш вопрос, я не склонен в существующих сегодня условиях отделять нашу работу в интересах иностранных партнеров от работы в интересах России по целому ряду причин. Во-первых, получаемые в рамках международного сотрудничества результаты фундаментальных исследований мы делаем доступными для наших ученых, публикуя их не только в зарубежных, но и отечественных журналах, представляя на конференциях различного уровня и за рубежом, и у нас в России. Примером являются наши многочисленные публикации совместно с зарубежными учеными, регулярно появляющиеся в "Журнале прикладной механики и технической физики" (ПМТФ), "Аэромеханика и теплофизика" и других изданиях Сибирского отделения, а также многочисленные доклады и публикации в трудах Международной конференции по методам аэрофизических исследований, которую регулярно — каждые два года проводит наш институт. Во-вторых, значительную часть средств, получаемых на основе международных контрактов и грантов, мы используем для покупки оборудования и проведения новых фундаментальных исследований, повышения заработной платы ведущим ученым, а также для поддержки молодых ученых и аспирантов. Все это наш дополнительный задел, который способствует расширению и углублению исследований в интересах нашей страны. Таким образом, мы помогаем России сохранить науку в это сложное время и распространяем новые знания в нашей стране. Наконец, третья важная составляющая: мы готовим нашу молодежь — будущее России с учетом как наших собственных, так и современных мировых достижений. Например, в рамках проводимого нами международного проекта совместно с представителями Института гидродинамики в Цюрихе я организую стажировку в течение нескольких месяцев в указанном научном центре для своего аспиранта Максима Логинова, которая начнется осенью этого года. Работы ученых этого института в области прямого численного моделирования различных сложных течений, включая и интересующие нас турбулентные отрывные, относятся к числу наиболее передовых. Поэтому важно не отстать, вовремя перенять этот опыт и использовать его в интересах наших исследований. Хочу также отметить, что недавно разработанная сотрудниками нашей группы В.Волковым и аспирантом М.Логиновым программа численного решения задач обтекания элементов сверхзвуковых летательных аппаратов на основе уравнений Эйлера оформлена в виде учебного пособия и передана в Новосибирский государственный технический университет для использования в учебном процессе на факультете летательных аппаратов.

Таким образом, полагаю, это часть ответа на ваш вопрос. Кажется, А.Чехову принадлежит мысль, что таблица умножения — вещь интернациональная. Понимая в широком смысле слова под таблицей умножения фундаментальную науку, считаю что наше участие в ее развитии признано в мире, а результаты доступны и используются всюду, включая и Россию.

Не только я, но и многие мои коллеги в институте заинтересованы в использовании наших знаний и внедрении некоторых результатов в отечественную авиацию и космонавтику.

Мы продолжаем регулярно встречаться с представителями наших известных авиационных фирм и знакомить их с результатами исследований. Так, например, сотрудниками нашей группы проводились консультации по проблеме звукового удара современных сверхзвуковых самолетов для представителей СИБНИА. Более тесное сотрудничество, к сожалению, пока сложно вследствие их весьма ограниченных финансовых возможностей. Однако мы готовы искать пути к этому.

— Какие вами сейчас ведутся работы?

— Во-первых, это комплексные экспериментальные и расчетные исследования явления отрыва турбулентного пограничного слоя в окрестности двумерных и пространственных конфигураций, моделирующих элементы воздухозаборников и управляющих поверхностей сверх- и гиперзвуковых летательных аппаратов. Такие исследования очень важны, поскольку указанное явление чаще всего приводит к различным вредным эффектам: высоким динамическим, статическим и тепловым нагрузкам, снижению эффективности воздухозаборников и органов управления и др. Однако пока эти работы носят фундаментальный характер, а реализация таких расчетов требует колоссальных ресурсов самых мощных ЭВМ.

Во-вторых, мы продолжаем исследования по верификации расчетов пространственного взаимодействия скачков уплотнения с турбулентным пограничным слоем во входных устройствах гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей (ГПВРД) в рамках полных, осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса с использованием различных моделей турбулентности. Такие расчетные методы могут уже сегодня использоваться для решения прикладных задач. Существующая здесь основная проблема — поиск рациональных моделей турбулентности для правильного предсказания тепловых потоков в условиях полета с высокими скоростями. Мы успешно ведем исследования в этом направлении и в течение ряда лет сотрудничаем с представителями NASA Эймс, Рутгерского и Пенсильванского университетов, Лабораторией Райт-Паттерсон (США), а также DLR Института гидродинамики в Геттингене (Германия) и ONERA (Тулуза, Франция).

Наконец, в прошедшем и текущем году в рамках существующего соглашения о сотрудничестве с представителями Рутгерского университета мы провели первый этап совместных экспериментальных исследований по подводу энергии в сверхзвуковой поток с помощью фокусированного лазерного разряда с целью управления структурой пресекающихся скачков перед обечайками воздухозаборников и различными надстройками для снижения пиков теплообмена на обтекаемых поверхностях. Вероятно, многие слышали, что в ходе полета американского экспериментального аппарата X-15 с ракетным двигателем при числе Маха М = 6,7 примерно на 160 секунде полета практически полностью разрушился пилон, на котором был подвешен испытывавшийся макет двигателя ПВРД. Полученные нами первые положительные результаты по улучшению обтекания и снижению локальных тепловых нагрузок важны для создания перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов. Работа в этой области, на мой взгляд, удачно дополняет ранее начатые оригинальные экспериментальные исследования по снижению сопротивления осесимметричной модели с помощью периодического лазерного разряда, выполненные коллективом нашего института под руководством П.Третьякова совместно с представителями Института теплофизики, а также проводимые под руководством директора института В.Фомина экспериментальные и расчетные исследования по использованию электрического пробоя и плазмы с целью влияния на структуру сверхзвукового обтекания. Очевидно, что такие исследования весьма перспективны применительно к будущим аэрокосмическим системам и не случайно, что сегодня они все более активно ведутся во всем мире. Как видите, ИТПМ и здесь не отстает, и наш коллектив, вместе со всеми, старается поддерживать его высокую марку.