«АКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА СВЕРХЗВУКОВОЕ ОБТЕКАНИЕ ТЕЛ»

Из доклада члена-корреспондента РАН В. Фомина.

Пятнадцать лет назад (в революционное время перестройки в СССР) был успешно осуществлен полет космического корабля «Буран», повторить который никто не смог, и, видимо, никто не повторит… Запуск осуществлялся в автоматическом режиме.

Но для того, чтобы этот запуск был успешным, известно, сколько и каких технологий потребовалось. В настоящее время, по мнению экспертов, Россия занимает ведущее место в создании и реализации ряда современных технологий. Среди них следующие.

— Горизонтальный старт космического аппарата с дозвукового носителя. Таких больших самолетов нет ни у кого в мире, есть только в России и на Украине, что позволяет осуществлять в будущем такие старты.

— Жидкостные ракетные двигатели нового поколения с тяговыми характеристиками в два с половиной раза выше существующих.

— Создание жаростойких композиционных материалов.

— Исследования по гиперзвуковой аэротермодинамике; разработка гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей.

Заслуги ученых Сибирского отделения РАН, внесших большой вклад в развитие последних двух направлений огромно (об этом говорил в своем докладе академик В. Панин).

— Будущее космонавтики зависит от того, как мы сумеем воспользоваться полученными знаниями и технологиями для создания рентабельных летательных аппаратов, способных выводить на орбиту килограмм полезного груза стоимостью не больше 1500 долларов.

В качестве примера приведены некоторые существующие проекты будущего, например, российский аппарат МАКС и американский Х-33, которые удовлетворяют этим условиям. В настоящее время эта цена практически в 20 раз выше. Говоря о трудностях реализации новых проектов, докладчик уточнил, что он будет рассматривать только вопросы, связанные с внешней аэродинамикой. Он продемонстрировал данные — как качество будущих летательных аппаратов (отношение подъемной силы к сопротивлению) зависит от чисел Маха. Полученные зарубежными и российскими исследователями данные для различных аппаратов показывают, что для успешного полета летательного аппарата коэффициент качества необходимо повысить в два-три раза, то есть существенно снизить его сопротивление.

Предваряя обзор наиболее значимых в мировой науке экспериментов и теоретических работ, связанных с задачей управления летательным аппаратом вблизи тела, В. Фомин рассказал о том, как человечество активно работало в этой области еще в доисторические времена, когда люди придумали стрелу, наконечник которой обматывался паклей и поджигался. Стрела-факел летит существенно дальше. Таким способом в средние века татаро-монголы не только выжигали русские поселения, но и имели возможность поразить противника на большом расстоянии.

Осмысленно подошли к решению подобной задачи лишь в начале XX века. Российский ученый В. Шиловский (1914 г.) проводил эксперименты по уменьшению сопротивления затупленных снарядов за счет сжигания фосфора на конце аэродинамической иглы. В 1946 году К. Осватич (Германия) сделал теоретические оценки газодинамическим эффектам от внешнего подвода тепла. В 60-х годах XX века в связи с развитием сверхзвуковой авиации возникла проблема снижения шума от звукового удара, для решения которой рассматривался электродинамический способ уменьшения его интенсивности. Идея применения внешнего горения для создания управляющих сил и моментов развивалась в работах американских ученых с 1945 года. Обобщенная идеология с уклоном к практической реализации, по-видимому, связана с именем F. S. Billing и относится к 1967 г., когда вышел его обзор примерно 60 работ, так или иначе связанных с этим направлением. В конце 70-х годов сотрудниками ЦИАМа предложены и детально проанализированы новые способы организации внешнего подвода массы и горения для управления аэродинамическими и тяговыми характеристиками летательных аппаратов различного назначения. Первые эксперименты с массоподводом, выполненные в ИТПМ СО РАН, подтвердили высокую эффективность управления обтеканием по сравнению с традиционными подходами. В 80-х годах под руководством академика Г. Черного в рамках научно-прикладных исследований были объединены усилия коллективов четырех организаций (ИМ МГУ, ЦИАМ им. П. А. Баранова, ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского и ИТПМ СО РАН). Привлечение отраслевых научно-исследовательских институтов позволило осуществить натурные испытания на малоразмерных объектах и подтвердить предсказанные на основе трубных экспериментов характеристики обтекания.

Создание в сверхзвуковом потоке слабых возмущений течения за счет локального изменения скорости или плотности оказалось эффективным средством для разрушения ударных волн, возникающих перед затупленными телами, и уменьшения аэродинамического сопротивления.

Управление обтеканием гиперзвукового летательного аппарата будущего

Цикл теоретических исследований течений с тепловым источником в приложении к управлению сверхзвуковым обтеканием летательных аппаратов выполнен под руководством члена-корреспондента РАН В. Левина. Экспериментальная проверка теоретически предсказанных режимов течения и эффективности воздействия на обтекание натолкнулась на трудности, связанные с поиском способов осуществления подвода энергии.

Необходимо отметить, что раскрытие программы «Аякс» способствовало всплеску интереса со стороны ученых многих стран к концепциям, заложенным в организацию рабочего процесса в тракте магнито-плазмо-химического двигателя (МПХД), в частности, МГД-способам управления течением, а также СВЧ-способам управления обтеканием лобовой части летательного аппарата. В отчете о поездке в России S.N.B.Murthy рекомендовал ученым США сотрудничать с Россией в этих направлениях и, в частности, предлагал организацию двусторонних конференций. Первая такая конференция прошла в июне 1997 г. в Колорадо Спрингс. С тех пор они ежегодно проводятся в США (Норфолк), а также в России (ИВТ РАН, г. Москва и ХК «Ленинец», г. С.-Петербург), в том числе при поддержке EOARD (Европейский офис аэрокосмических исследований США), AROSR (Отдел научных исследований военно-воздушных сил США).

К настоящему времени имеется громадный материал, который, к сожалению, недостаточно систематизирован и проанализирован. Представляется сложным дать объективное заключение по всем направлениям работ, но по некоторым из них можно сделать вполне определенные выводы применительно к возможности практической реализации.

В своем обзоре В. Фомин коснулся работ, связанных и с исследованием аномальных динамических свойств слабоионизованной среды, выделил наиболее интересные модельные исследования плазменных эффектов, рассказал о новых экспериментах с использованием известного способа уменьшения сопротивления, с помощью встречного выдува плазменных струй и химически активного газа. Докладчик демонстрировал на слайдах множество результатов работ и комментировал их. Например, Г. Мишин с сотрудниками, в экспериментах на баллистической трассе для сфер, обнаружили существенное изменение картины обтекания тела.

Американцы активно работали в этом направлении, используя СВЧ-ионизацию воздушного потока. Было показано, что если удается зажечь разряд вблизи фюзеляжа самолета, то его сопротивление уменьшается на 10%, но если осуществить пересчет с модели на реальность, необходимая аппаратура для возбуждения разряда будет иметь такой вес, что самолет просто не поднимется в воздух с аэродрома. В России не отставали в этой области, а иногда шли впереди. В ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского проводились подобные эксперименты, а в Институте прикладной математики занимались расчетами. Результаты расчетов показали хорошее совпадение с экспериментальными данными.

Существовала трудная задача, как зажечь коронный разряд в сверхзвуковом потоке газа. Это не просто сделать из-за достаточно большого давления. Такой разряд был зажжен в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН при числе Маха 3.2, и в это сверхзвуковое течение помещалось тело типа полусферы. Изучение картины течения и распределения давления в носовой части тела позволило сделать вывод, что волновое сопротивление тела снижается более чем в два раза. Используя результаты этого эксперимента, была сделана попытка, кроме электрических разрядов, выдувать в поток и плазменные струи. Замечено: чем хуже сопротивление тела в потоке, тем больше эффект от перестройки волновой картины у тела. Представляя работы, связанные с инжекцией различных плазменных струй в потоке, В. Фомин выделил результаты, о которых хочется говорить, тем более, что эти результаты исследований уже вошли в жизнь. Это выдув различных струй отработанных газов ракетного двигателя. Надо быть, вообще говоря, сумасшедшим, чтобы часть газа, выходящего из сопла, направить вперед против потока… Вроде такого не может быть. Так вот, оказывается, если это сделать, а это уже сделано и работает, как утверждает В. Фомин, возможно уменьшить сопротивление приблизительно в два раза. И сейчас эти эффекты уже используются в технике. Докладчик отметил, что совместно с Институтом лазерной физики в ИТПМ СО РАН впервые в мире была получена тепловая метка с помощью фокусировки лазерного излучения. В этом случае также происходит перестройка волновой картины течения. Падение сопротивления, как выяснилось, происходит почти в два раза в зависимости от частоты лазерного импульса.

Выводы:

— Аномальные динамические свойства слабоионизованной среды оказались понятными физическими газодинамическими явлениями, в которых основную роль играет тепловыделение и неоднородность происходящих процессов, то есть плазменные процессы при данных условиях не вносят изменений, которые ожидались.

— Модельные исследования плазменных эффектов с применением электро-разрядных плазмогенераторов показали основную роль тепловыделения. Реализация тлеющего разряда на поверхности фюзеляжа и на крыле самолета в дозвуковом потоке заслуживает внимания.

— Эффекты от выдува плазменных струй (из располагаемых в головной части ЛА типа плазмотронов) не превышают известные результаты для хорошо отработанного и реализованного в опытно-конструкторских разработках способа использования генераторного газа от неполного сгорания твердого топлива. Эффекты подтверждены натурным экспериментом и уже используются в отрасли.

— Рассматриваемые вопросы интересны и, чтобы быть первыми в мире в этой области исследований, Президиум РАН разработал научную программу: «Взаимодействие плазмы с высокоскоростными потоками газа». Руководителем этой программы назначен академик Г. Черный. Результаты, полученные в первый год работы по этой программе, дали обнадеживающие предпосылки в изучении проблемы управления течениями с помощью плазменных эффектов.

стр. 8