ТРИ ИМЕНИ

Лауреатами премий имени выдающихся ученых Сибирского отделения РАН стали сразу трое молодых ученых Института теоретической и прикладной механики. Аспирант Алексей БОЛЕСТА получил премию имени академика С.А.Христиановича за работу "Образование механоактивационной связи при высокоскоростном столкновении твердых частиц с подложкой". "Вчерашний" аспирант, младший научный сотрудник Евгений КРАУС завоевал в конкурсе премию имени академика М.Ф.Решетнева за "Исследование распространения и взаимодействия ударных волн в конденсированных средах и построение уравнений состояния при сверхвысоких ударных нагрузках". И, наконец, кандидат физико-математических наук Андрей ИВАНОВ — в числе награжденных премией имени академика В.В.Струминского за работу "Восприимчивость пограничных слоев к внешним возмущениям".

Теоретики А.Болеста и Е.Краус работают в лаборатории физики быстропротекающих процессов, которой руководит член-корреспондент В.Фомин. По просьбе "НВС" лауреаты рассказывают о своей работе.

Понять движение каждого атома

Алексей Болеста:
— Академик С.А.Христианович — выдающийся ученый-механик двадцатого столетия, основатель Института теоретической и прикладной механики СО РАН. Всем было известно о необычайно широком диапазоне его научных интересов. Он работал в Институте механики АН СССР, ЦАГИ и в других научных организациях. В нашем институте Сергей Алексеевич еще на заре ИТПМ СО РАН занимался организацией и созданием современной экспериментальной базы в области аэродинамики, стендов для исследования элементов парогазовых установок и оборудования для изучения прочностных свойств материалов. В последние годы жизни С.А.Христианович вернулся к теории пластичности и разрушения твердых тел при сложном напряженном состоянии. В этих работах четко определены пути построения математических моделей пластического деформирования и разрушения твердых тел, связанных с площадками главного сдвига и максимального касательного напряжения. Поразительное совпадение теоретических предсказаний с данными экспериментов заставляет исследователей подойти к этой теории с пристальным вниманием.

Для того, чтобы понять физические механизмы разрушения твердых тел при различных нагрузках, необходимо изучать деформации тел на разных масштабных уровнях, в том числе атомных. Интенсивное развитие вычислительной техники дало возможность решать задачи деформирования и разрушения тел на микроуровне с учетом движения каждого отдельного атома.

В моей работе с использованием метода пропагаторной реализации молекулярной динамики исследуются вопросы пластической деформации и фазовых превращений в металлах при различных скоростях нагружения. В качестве физического объекта исследования взято открытое в ИТПМ явление холодного газодинамического напыления, то есть соударения мелких частиц металлов с деформируемыми преградами. Особый интерес при этом вызывают физические процессы, происходящие на границе раздела между частицами и преградой, так как от них зависит адгезионная прочность получаемых изделий. Методом математического моделирования выяснен процесс формирования структуры при пластической деформации сферического кластера меди при его ударе о преграду и установлены критические скорости удара, при которых осуществляется плавление на границе контакта с преградой. Применение метода синхротронного излучения в режиме скользящего падения для исследования внутренних границ раздела материалов, возникающих при холодном газодинамическом напылении, позволило выявить наличие интерметаллической фазы и оценить ее количество при напылении частиц аммония на никелевую подложку.

Наличие интерметаллической фазы подтверждает тот факт, что в области контакта при холодном газодинамическом напылении протекает химическая реакция, управление которой дает возможность формировать покрытия с заданными свойствами.

Математика и "космический мусор"

Евгений Краус:
— В последние годы весьма актуальной стала проблема загрязнения космического пространства техногенным "космическим мусором". Это связано с ростом числа запусков космических аппаратов. Увеличение плотности "космического мусора" приводит к увеличению вероятности его взаимодействия с активными и пассивными объектами, в том числе содержащими радиоактивные и токсичные вещества. Подобных космических аппаратов в настоящее время в диапазоне высот от 700 до 1300 км довольно много. Время существования объектов на орбите, по расчетам, более 400 лет, что превышает период полураспада большинства радиоактивных веществ. Но в результате взаимодействия с частицами "космического мусора", поврежденный космический аппарат или его фрагменты могут получить тормозной импульс и досрочно войти в плотные слои атмосферы Земли. Это приводит к опасности радиоактивного или химического загрязнения локального объема атмосферы и земной поверхности.

Для определения тяжести повреждений космического аппарата необходимо моделирование процессов столкновения твердых тел при скоростях удара вплоть до 16 км/с, чтобы иметь возможность оценить последствия столкновения. При таких скоростях взаимодействия вещества подвергаются значительным сжатиям и нагревам, а так же испытывают фазовые превращения. Чтобы решить подобную задачу, требуется создать термодинамически полное уравнение состояния, работоспособное в широком диапазоне параметров с немногочисленными константами.

Современные широкодиапазонные уравнения состояния, построенные для описания поведения металлов в широком диапазоне параметров сжатия, содержат более сорока свободных параметров и экспериментально найденных констант. Последние определяются по данным ударно-волновых экспериментов, измерениям изоэнтроп разгрузки пористых образцов и другой экспериментальной термодинамической информации в широкой области фазовой диаграммы. Понятно, что при таком подходе нет возможности получения достоверной информации для большинства материалов, используемых при проектировании космических аппаратов.

В моей работе предложены новые модельные уравнения для термодинамических функций кристаллического и жидкого состояний, основанные на зависимости коэффициента Грюнайзена от объема и температуры. В уравнениях учтено возбуждение электронов при ударных нагрузках. Это связано с тем, что при давлениях и температурах, возникающих за фронтом сверхсильных ударных волн, сжатие электронных оболочек является определяющим параметром. На основании этой модели было построено термодинамически полное уравнение состояния, но при этом количество констант сведено к минимуму (менее 10!), а точность в требуемой области (скорость соударения 1-16 км/c) сравнима с современными широкодиапазонными уравнениями состояния. Хотелось бы также отметить, что использовались наиболее общие константы материалов, такие как теплоемкость, коэффициент объемного расширения и т.д.

Создан программный модуль для расчета поведения конденсированных сред при ударных нагрузках, который позволит численно решать задачи, близкие к реальным. Например, о взаимодействии осколков "космического мусора" с элементами космического аппарата.

Эксперименты на "трубе Струминского"

Андрей Иванов в настоящее время находится в заграничной командировке в Германии. О работе Андрея рассказывает его научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Юрий КАЧАНОВ:

— В тот год и месяц, когда родился Андрей, академик В.В.Струминский (в то время директор ИТПМ СО АН) начал строительство в нашем институте уникальной малотурбулентной аэродинамической трубы Т-324. Именно на этой установке суждено было Андрею через тридцать лет получить большинство своих научных результатов.

В это же время (конец шестидесятых) в ИТПМ была создана "первая за Уралом" научная лаборатория по исследованию проблемы гидродинамической устойчивости ламинарных течений и возникновения турбулентности под руководством доктора физико-математических наук, профессора Виктора Левченко (тогда молодого кандидата наук). Это новое направление исследований оказалось настолько перспективным и так успешно развивалось, что к настоящему времени небольшая лаборатория разрослась в три солидных научных подразделения, а диапазон скоростей исследуемых течений расширился от малых дозвуковых до сверхзвуковых и космических (гиперзвуковых).

Андрей начал работу в моей научной группе в 1991 году, когда он был студентом-выпускником НЭТИ. Блестяще защитил диплом и продолжил работу в лаборатории. Он сразу подключился к широкому кругу исследований, начиная от проектов РФФИ и Международного научного фонда и кончая контрактом с фирмой "Боинг". Уже в начале девяностых, при разработке нового уникального метода исследований восприимчивости ламинарных течений к внешним возмущениям, он продемонстрировал свои умелые руки и блестящие инженерные способности. Так что исследовательская хватка молодого ученого в значительной мере определила успех этой работы.

Проблема восприимчивости (отклика) потоков к вибрационным, акустическим, вихревым возмущениям, к неровностям обтекаемой поверхности находится на переднем фронте современных исследований ламинарно-турбулентного перехода. Ее решение важно как для выяснения основополагающих, фундаментальных законов порождения турбулентности, так и для ряда важных практических приложений, в частности для проектирования перспективных самолетов и аэрокосмических аппаратов, расчета их основных характеристик и управления этими характеристиками. Эта проблема важна в широчайшем диапазоне скоростей полета, начиная от самолетов "малой" авиации и кончая разрабатываемыми в настоящее время сверхзвуковыми пассажирскими самолетами и гиперзвуковыми аэрокосмическими аппаратами. Дело в том, что место возникновения турбулентного режима обтекания на поверхности самолета весьма существенным образом зависит от характера и интенсивности различного рода возмущений набегающего потока и обтекаемой поверхности, а также от эффективности различных механизмов воздействия этих возмущений на ламинарно-турбулентный переход, чем и занимается теория восприимчивости. Положение же перехода на обтекаемом потоком аппарате коренным образом влияет, в свою очередь, на его аэродинамическое сопротивление (во всем диапазоне скоростей) и на интенсивность нагрева поверхности (на гиперзвуковых скоростях). Например, обеспечение ламинарного режима обтекания хотя бы 30% площади поверхности сверхзвукового самолета позволило бы сделать сверхзвуковые пассажирские лайнеры столь же экономичными, как и существующие трансзвуковые (т.е. те, на которых мы сейчас летаем). Создание же аэрокосмического самолета (со временем полета по маршруту Новосибирск--Вашингтон около двух часов) вообще практически невозможно без решения проблемы ламинаризации (хотя бы частичной) его обтекания.

Научные исследования, проводимые Андреем Ивановым, в основном посвящены проблеме восприимчивости ламинарных течений, и находятся на самом высоком мировом научном уровне. Эти исследования (преимущественно экспериментальные) мы проводим в тесном сотрудничестве с различными экспериментальными и теоретическими группами, работающими в этой области в Новосибирске, Москве, Берлине, Штутгарте и Сиэтле. Параллельно с интенсивными исследованиями на аэродинамической "трубе Струминского" (Т-324), мы используем экспериментальные установки Берлинского технического университета и Штутгартского университета, с уникальным оборудованием для проведения автоматизированных измерений (об этом в Новосибирске нам пока приходится только мечтать). В рамках международного проекта РФФИ-DFG Андрей самым активнейшим образом участвовал в двух сериях экспериментов на этих установках. В результате получены уникальные результаты по трехмерной вибрационной и акустической восприимчивости, которые, с одной стороны, подтвердили некоторые выводы теории, а, с другой — поставили ряд новых вопросов, над решением которых предстоит еще хорошо поработать как теоретикам, так и экспериментаторам.

Три года назад Андрей блестяще защитил диссертацию и стал кандидатом физико-математических наук.

О присуждении премии им. академика В.В.Струминского Андрей узнал из моего электронного письма, посланного в Штутгартский университет, где он проводит в настоящее время новый эксперимент. Много дел у него и в Новосибирске. В мае он продолжит работу в рамках нового проекта РФФИ и обработку результатов новых экспериментов по госбюджетной тематике, завершенных недавно на аэродинамической "трубе Струминского".

Подготовила Галина Шпак.