"РЕЛЬЕФ" И "АЛЬФА"

Российское авиационно-космическое агентство (Росавиакосмос) включило проект "Рельеф" в долгосрочную программу научных и прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Международной космической станции — МКС "Альфа".

Галина Шпак
"НВС"

"Ноль два" — но не сигнал тревоги — так для простоты обозначался 2002 год. В августе 2002 года в Гренобле, во Франции, проводилась самая популярная конференция по теплообмену. Совместный доклад трех университетов Бельгии и России представлял доктор физико-математических наук Олег Кабов. Тема доклада — "Деформация свободной локально нагреваемой поверхности пленки жидкости с температурной зависимостью вязкости". Докладчик рассказал о результатах исследований, проводившихся в течение нескольких лет в Центре исследований по микрогравитации при Свободном университете Брюсселя (Бельгия), в институтах Теплофизики и Гидродинамики Сибирского отделения РАН (Россия, Новосибирск).

Летающая лаборатория перед стартом.

Научные группы Востока и Запада, условно говоря, дополняли друг друга и активно сблизились, работая вместе в рамках программы Copernicus Европейской комиссии. Полученные теоретические и экспериментальные результаты и ноу-хау можно использовать при подготовке совместного космического эксперимента. Уже скорректированы предложения по проекту "Рельеф", а также обоснованы возможности его реализации в паре с экспериментом бельгийского проекта "CIMEX-I", который уже финансируется Европейским космическим агентством и включен в космическую программу МКС на ближайшие годы.

"Рельеф" оказался близким "CIMEX-I" по используемой научной аппаратуре.

Руководят совместным проектом профессор Ж.-К. Легро, который возглавляет Центр исследований по микрогравитации, а с российской стороны — заведующий лабораторией интенсификации процессов теплообмена, доктор наук О.Кабов (ИТ СО РАН) и член-корреспондент РАН В.Пухначев (ИГ СО РАН). Документы совместного космического проекта находятся на рассмотрении в Европейском космическом агентстве — ESA. А тем временем на земле и в воздухе поэтапно идут подготовительные, проверочные эксперименты для предстоящего космического.

Воображение и расчет

Проект "Рельеф" отражает конкретные исследования. Его содержание — изучение физики новых структур в жидкости, открытых в Институте теплофизики Сибирского отделения РАН.

Загадочные структуры представляют собой некий рельеф, совокупность неровностей. Оказывается, во всяком случае, мне так показалось, что и на поверхности "специальной воды" возникают выпуклые и вогнутые формы, как на суше или на дне океанов. Как в капле воды... Это сравнение наполняется каким-то метафизическим смыслом... Даже глядя на схему двухфазного контура, удивляешься изощренности его архитектуры, если так можно выразиться. Где же проводить эксперимент на грани фантастики, как не в космосе?

Очень много охотников поработать на станции "Альфа". Кроме научного и прикладного интереса, это означает финансовую поддержку исследователям, спокойную работу на пять-десять лет, поэтому и конкурс значительный. МКС пока принимает ограниченное число исследовательских модулей, но станция строится. Ее модель в полной красе я увидела по мановению руки физика Кабова на экране компьютера в его кабинете. Он с удовольствием показывал картинки.

— Видите, какая она будет огромная? По площади, как большое футбольное поле, на котором проходят чемпионаты мира. Пока только центральная часть станции летает.

— В космосе будет строиться целый город?

— В полной конфигурации действительно — город. Приблизительно десять лет будет строиться. Фактически это — самый крупный международный проект на Земле. Строительство требует напряжения всех ресурсов США, России, стран Европы, Японии, Канады. Представляете? Вес станции почти пятьсот тонн, и все эти тонны надо поднять в космическое пространство. Затраты гигантские. Мы не можем рассчитывать на государственную поддержку проекта "Рельеф". Для его осуществления нужно, как минимум, несколько миллионов евро. Но можно не в денежном выражении помочь исследователям. Например, осуществить доставку оборудования на МКС. А если учесть, что по использованию на борту научной аппаратуры проект "Рельеф" весьма близок к проекту "CIMEX-I", мы надеемся провести эксперимент в европейском космическом модуле "COLUMBUS", который будет запущен, возможно, в 2004-2005 годах. "COLUMBUS" — это огромный цилиндр длиной 6,7 метра, диаметром — 4,5 м. И, что очень важно для нас, в этом модуле будет несколько лабораторий. Одна из них — лаборатория по физике жидкости. Нам понадобится доставить на станцию только небольшой контейнер — 40 килограммов. Управлять экспериментом будем с Земли.

— Вам еще несказанно повезло!

— Нам повезло в самые трудные годы для науки лет десять назад, когда сотрудников вынужденно отправляли в отпуск без оплаты или переводили на сокращенную рабочую неделю. И наша лаборатория тоже опустела. Просто нечего было делать. Даже актуальная задача по охлаждению чипов — микропроцессоров для советских суперЭВМ — оказалась ненужной для российской электронной промышленности. Громоздкие машины демонтировали за ненадобностью.

И все-таки "свернутую задачу" "развернули" в лаборатории интенсификации теплообмена. Когда проводились эксперименты по термостабилизации — охлаждению чипов, случайно обнаружили загадочные структуры в локально нагреваемой, стекающей под действием гравитации, пленке жидкости. Какой же исследователь откажется узнать, что это такое! Заведующий лабораторией работал каждый день. Одному работать нельзя. Просто опасно было отвлекаться от нагревательного элемента. Пленка может быстро разрушиться и весь рабочий участок сгорит, выйдет из строя. Кто-то же должен следить за приборами, поэтому Олег Александрович приглашал на эксперименты свою жену. Она по специальности дирижер-хормейстер и, естественно, хорошо дирижировала.

Как говорится, погибать — так с музыкой, но не было бы счастья, да несчастье помогло обнаружить новое явление в физике жидкостей — формирование регулярных стркутур. Они оказались очень интересными для теплофизиков и механиков. По сути, обнаружен новый тип неустойчивости. Кроме того, исследователи предположили, что эти структуры, их свойства можно использовать в технике для интенсификации процессов теплообмена, массообмена, в частности, в пленочных испарителях нового типа, широко использующихся, например, в пищевой промышленности при производстве сахара, фруктовых и овощных соков, дистилляции морской воды. И сами по себе эти структуры — любопытный объект для исследования. Я не сразу узнала графическое, точнее — видеографическое изображение этих "заборчиков", а ведь сама расспрашивала директора Института теплофизики Сергея Алексеенко о подобных необычных физических явлениях ("Наука и искусство — одно лицо", "НВС", N 50, 2000 г.).

Занятная структура. Как вилка. Напоминает камертон. "Если вилку перевернуть — точно будут наши структуры, — Олег Александрович уточнил сравнение, — мы их называем "регулярные подковообразные структуры". Первоначально они имеют форму подковы, а затем распространяются".

На экране возникла одна "подкова" и тут же — другая, третья... Возможно, так самоорганизуются научные связи. Схема связей довольно сложная, но первое звено в цепи — сотрудничество с теоретиком, членом-корреспондентом РАН Владиславом Пухначевым. Он авторитетный ученый в международных космических кругах. С его помощью и активным участием выполнялся первый совместный проект по исследованию структур.

Связи разрастались. В следующий проект "COPERNICUS" были вовлечены международные научные группы, занимающиеся космическими исследованиями, и в то же время работающие над конкретной задачей для пищевой промышленности. Фундаментальные знания использовались для разработки новой техники, улучшения технологий, а значит — качества продуктов. Проект завершился в 2002 году. Партнеры и заказчики остались довольны. Сугубо научная часть крупной работы, ее результаты стали основой для реализации проекта "Рельеф".

В реферате, представляющем проект, названы не только цели космического эксперимента, но и ожидаемые результаты. Почему же именно в космосе нужно изучать "особенности динамики тонких пленок жидкости, движущихся под воздействием потока газа при наличии интенсивной термокапиллярной конвекции в условиях микрогравитации"? Ответ я получила сразу и снова в сопровождении компьютерной иллюстрации. Мой собеседник, кроме всего космического, что общеизвестно, выделил проблемы жизнеобеспечения самой "Альфы" и ее обитателей.

— Так же, как жизнь на Земле не может обойтись без воды, человек — без крови, ни один обитаемый космический корабль не может существовать без жидкости на борту. Жидкости и особенно двухфазные потоки сильно подвержены влиянию гравитации. Когда мы проводим исследования на Земле, то процесс во многом определяется именно силой тяжести. Что произошло бы в условиях невесомости, можно понять только теоретически. Такие задачи решаются, но трудно создать модели, адекватно описывающие поведение исследуемого объекта. Поэтому и необходимы космические эксперименты, позволяющие реально увидеть "глазами" видеокамер, что происходит с жидкостями и двухфазными потоками, какие процессы наблюдаются и измерить их параметры. Результаты в дальнейшем помогут более точно спроектировать систему жизнеобеспечения космонавтов и космических кораблей. Кроме того, космические эксперименты дают очень важную информацию для земных технологий, более широкого взгляда на процессы, происходящие на Земле, и для развития самой науки. Если исключить гравитацию — очень важный параметр — и тем самым упростить систему, мы получим информацию для построения более точных математических моделей.

— Теоретикам это удается? Что делает группа Пухначева?

— Занимается теоретическими исследованиями для проекта "Рельеф". Теоретики создают модели распада пленки жидкости при неоднородном нагреве, струйном течении, моделируют процессы в земных условиях, когда пленка движется под действием гравитации и в случае, когда пленка будет увлекаться движущимся потоком газа в невесомости. Очень сложная трехмерная задача со свободной поверхностью, в которой надо учитывать изменение физических свойств жидкости — вязкости, поверхностного натяжения... Задача усложняется еще и тем, что нужно учитывать передачу тепла в газовой фазе и в подложке, по которой движется пленка жидкости. Иными словами, это так называемая сопряженная задача. Работа выполняется отдельными этапами. Одновременно проводятся эксперименты по проверке моделей в нашей лаборатории и в Бельгии — группой профессора Ж.-К.Легро.

— Любопытно, что было интересного по проверке моделей?

— Важный факт, о котором спорили, — возвратное течение в самом вале жидкости, из которого формируются регулярные структуры. Могу показать...

Смотрю — картинки занятные. Вот — натуральный вал, с него стекают струи...

— Мы провели совместные исследования, — Олег Александрович "листает" компьютерные страницы, — сам экспериментальный стенд привезли в Брюссель из Новосибирска. А фиксировала события заграничная высокоскоростная цифровая видеокамера. Частички из алюминия бросались на поверхность пленки, и мы убедились, что существует линия остановки движения пленки в определенном месте, и частичка движется не вниз, а вправо или влево.

— Какая-то "бутылка" появляется. Если увеличить, картинка напоминает сплав по реке через пороги на рафте. Испытала это на себе — бурлящая вода обтекает преграду-камень и чувствуешь эту силу — бросает вправо-влево и вверх, а потом вниз...

— Что-то похожее есть. Часть жидкости проходит через этот "камень", а основная начинает обтекать частичку, как вал... Здесь действует много сил — капиллярная и термокапиллярная, сила инерции, тяжести... Интересное движение. Мы доказали, что существует точка стагнации, точнее — линия остановки, а затем (Олег Александрович демонстрирует картинку) стрелка показывает, что жидкость движется вверх... Это было предсказано теоретически, в частности, моделями, разработанными в лаборатории Пухначева, и у нас. Моделированием занимается Игорь Марчук. Его работа "Формирование термокапиллярных структур в тонких движущихся слоях жидкости" в 2002 году отмечена премией имени академика С.С.Кутателадзе. Но мы рассматривали двумерные модели, а группа Пухначева занимается более сложными — трехмерными.

— И вы уже можете что-то сказать о физике новых структур?

— Многое известно. Мы научились предсказывать, в какой момент они появляются для каждой специальной жидкости, научились предсказывать параметры. Умеем предсказывать длину волны этих структур, размеры термокапиллярного валика и что происходит на границе нагрева пленки... Вы видели на картинках, как обнаружилось возвратное движение и красивые картинки — модель нашей структуры, которую сделал Владимир Кузнецов из группы Пухначева.

Но еще не созданы модели, которые помогли бы получить эти структуры на компьютере. Мы еще не можем рассчитать динамику возникновения структур, не можем ими управлять. Почему они возникают — до конца еще не понятно.

Эксперименты в условиях микрогравитации могут дать ответ.

По параболе

После августовской конференции, в сентябре, Олег Кабов работал на борту летающей лаборатории. Необычные полеты совершались над Атлантическим океаном вдоль побережья Франции.

...Лаборатория Кабова находится в экспериментальном корпусе Института теплофизики. Поднимаясь по узкой железной лестнице, можно вообразить более удобный трап самолета А-31О, переоборудованного в летающую лабораторию под французским флагом, арендованную Европейским космическим агентством для различных экспериментов, в том числе, специально для проверки двухфазного трехкомпонентного контура в условиях микрогравитации.

Эффект присутствия усилился, когда Олег Александрович вывел на экран компьютера снимки, сделанные на аэродроме в окрестности города Бордо и в салоне самолета.

Исследовательский контейнер-стойка. В этом модуле и проводились "космические эксперименты".

— Смотрите! На переднем плане контейнер — трехэтажная стойка из прочного алюминиевого профиля. Высота — примерно полтора метра, ширина — метр десять, длина — около двух метров. В этой оболочке — оборудование весом 300 килограммов. Сделано оно в Бельгии. Это довольно сложная автоматизированная система, управляемая компьютером и рассчитанная на сверхмалые параметры по расходам газа и жидкости. Часть оборудования изготавливалась у нас в институте. В частности, система дегазации рабочей жидкости. В свое время эта специальная жидкость была создана для охлаждения электронных компонентов. Жидкость по своим физическим свойствам оказалась удобной для новых исследований. К тому же, она инертна и безопасна для человека. Кроме того, в экспериментальном модуле наша оригинальная испарительная система...

По расчетам контейнер-стойка должен выдержать нагрузку в девять ускорений свободного падения...

Олег Александрович рассказывал, не упуская подробностей, как тщательно готовились к эксперименту, нахваливал фирмы, обслуживающие научные группы, как "просто арендованный" грузовой "мерседес" без сучка и задоринки доставил ценное научное оборудование из Брюсселя в Бордо, пройдя тысячу километров. Не говоря уже о ESA, оплатившего все организационные расходы и полеты. И руководил воздушной экспедицией представитель Европейского космического агентства Владимир Плетсер. Вместе с ним — сопровождающие лица, корреспондент французского радио и другие журналисты с трехмерными видеокамерой и фотоаппаратами. Все исследователи и обслуживающий персонал прошли инструктаж, прослушали лекцию пилота авиалайнера (в прошлом летчика-испытателя), о том как себя вести в самолете и что такое микрогравитация; бортовой врач объяснял, с какими возможными проблемами столкнутся обитатели летающей лаборатории.

"Космонатов" и "астронавтов" оказалось человек тридцать. Каждый получил снаряжение, определенного цвета комбинезон с карманами и карманчиками на застежках-"молниях". Пилоты — в черных комбинезонах, группа службы безопасности — в оранжевых или в красных, а исследователи — в синих. Кроссовки полагались только на ослепительно белой подошве, чтобы не оставлять следов на мягких матах, покрывающих салон лаборатории.

Обычно полеты совершаются именно осенью (и еще весной), когда в атмосфере не наблюдается переизбытка турбулентности, но первый рейс отменили. В тот день, 24 сентября, на разборе полетов сообщили, что в системе управления самолета обнаружена неисправность. Зато на следующий день "космос" был обеспечен. Обычный пассажирский аэробус, переоборудованный в лабораторию, моделирует условия космического пространства.

— Я сейчас выведу еще одну картинку. Узнаете? — спросил Олег Александрович. — Когда синие поднимаются по трапу, черные и красные уже в самолете. Персонал безопасности встречает входящих и закрывает дверь. Мы занимаем свои места в отсеках. Как обычно, пристегиваемся...

— Кроме вас, кто еще проводил эксперименты на борту?

В салоне летающей лаборатории — Олег Кабов (в центре в клетчатой рубашке) и другие участники "небесной экспедиции".

— Совершенно разные исследователи. И другие физики, и биологи, и кинетики, которые занимались горением... Как на космической станции, у каждой группы свой отсек в салоне. Весь центр самолета занят экспериментальными стендами. Видеокамера наблюдает и записывает все события, происходящие на борту.

— Любопытно было бы и за самолетом понаблюдать снаружи.

— Сначала ничего особенного. Самолет разгоняется и взлетает, набирает высоту. А затем моделируются условия космического пространства... на 20-22 секунды. В определенный момент исследователям разрешается занять места у своих стендов. Они пристегиваются ремнями к полу, чтобы в секунды микрогравитации не взлететь и не шлепнуться, когда пилот меняет траекторию и лайнер сразу входит в гипергравитацию.

— Нет, Олег Александрович, так не пойдет! Все любят подробности.

— В кабине четыре пилота. Трое следят по приборам за уровнем микрогравитации по трем направлениям координат. Как говорят летчики, самолет начал взбираться и угол атаки его движения постоянно возрастает, при этом вес самолета увеличивается вдвое на высотах от 6 до 8 километров. Когда самолет по основному направлению движения находится под углом 47 градусов, начинается микрогравитация. Именно в эти секунды самолет движется по параболе. Нужно "поймать" этот момент. После того, как самолет начинает "падать", снова возникает гипергравитация.

— А исследователи — что?

— Командир корабля предупреждает, он говорит свое короткое "Pull up"! Это означает, что все исследователи должны быть готовы — входим в гипергравитацию. Вес увеличивается, давление внутри нарастает. Мой вес 76 кг. Представьте, что я без тренировки взял штангу весом в 76 кг. Неприятное ощущение. Чувствуешь, как кровь уходит из головы в ноги... Каждый сам выбирает удобную позицию, в которой он готов принять нагрузки. Лучше всего лежать на полу и смотреть в одну точку. Когда выходишь из гипергравитации, сразу перемены в теле. Даже свет меняется в самолете, "вспыхивает" жизнь. Сразу все вскакивают, шумят, включают установки... А состояние микрогравитации я лично переносил легко. Мне понравилось — приятный такой полет. Целый год готовились к эксперименту, и вот — летим!

— Сколько раз вы прошли гиперболы-параболы?

— 31 раз! За один день, учтите.

— Напоминает траверз в горах (оказалось, что мы оба — альпинисты, я, правда, бывший).

— Похоже... После пробной параболы первое, что я увидел — летающий мусор. Конечно, мы что-то забыли внутри нашего оборудования. Объем все-таки несколько кубических метров, и, естественно, забытые шайбочки-гаечки полетели-закружились.

— Не волнуйтесь, в открытом космосе тоже мусора много.

— А еще я поймал 50 центов. Смешной случай произошел на второй день полетов. Один из "синих" забыл застегнуть карман, и вся мелочь вывалилась и заплавала по салону. Все забавлялись — ловили... Каждый день после полета собирались на дебрифинг — разбор полетов. У кого какие проблемы были и какие результаты получены. Летали всего три дня. На каждой параболе проводились измерения с помощью датчиков. Всю информацию записывал компьютер. Кроме того, производилась визуализация двухфазного потока. Напомню, что это был подготовительный эксперимент для проекта "CIMEX-I" и совместного космического проекта "Рельеф". В частности, для обоих проектов нужно создать двухфазную трехкомпонентную систему — замкнутый контур. Не буду вдаваться в технологию, а в общих чертах это означает, что нужно смешать газ и пар. В эксперименте "Рельеф" газ будет двигать пленку жидкости в условиях микрогравитации, часть жидкости будет испаряться. Таким образом, на выходе системы мы получим жидкость, неконденсирующийся газ и пар, содержащийся в этом газе. Дальше требуется отделить жидкую фазу. В эксперименте на параболе жидкость собиралась в специальный контейнер, а газ выбрасывался за борт... Насколько мне известно, в исследовательских целях такие контуры не создавались в условиях микрогравитации, поэтому существует ряд научных и технических проблем, которые мы стремимся решить.

— Что же вы увидели? Получилось?

— Данные эксперимента еще не обрабатывались. Только мои личные впечатления: мы наблюдали много новых режимов движения двухфазного потока в узкой плоской щели высотой 10 мкм, неустойчивость движения струй. Насколько образующиеся структуры действительно новые — трудно пока сказать, но определенно решена главная цель полетов — аппаратура проверена в условиях невесомости.

* * *

После полетов в брюссельском Центре по микрогравитации снова начались наземные испытания аппаратуры и очередной этап экспериментов. Физик Кабов включился в эту работу в ноябрьские дни, чтобы вместе с партнерами разобраться с результатами летных и наземных исследований и опубликовать выводы совместных экспериментов. Одновременно продолжается подготовка к "взлету" проекта "Рельеф".

20-21 января 2003 г. в Москве состоится встреча представителей Европейского космического агентства и Росавиакосмоса, на которой, в частности, будет обсуждаться и реализация проекта "Рельеф".

Фото из архива экспедиции.

стр. 3-4