ОТ МОЛОДЕЖНЫХ ПРОЕКТОВ —
К ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРЕМИИ

Государственная премия РФ 2003 года для молодых ученых за выдающиеся достижения в области науки и техники присуждена новосибирцам, сотрудникам Института теоретической и прикладной механики СО РАН Михаилу Катасонову, Василию Сове и Валерию Чернораю. Высокой оценки удостоен цикл работ «Роль продольных структур в процессе ламинарно-турбулентного перехода в пристенных течениях». Открыто новое научное направление, принципиально важное для летательных и плавательных аппаратов.

Юрий Плотников, «НВС»

Сначала о том, как им повезло. Без малого десять лет, с октября 1994 по июль 2004-го существовала в природе Государственная премия Российской Федерации для молодых ученых, высшая оценка для молодежи, особо отличившейся на поприще науки и техники. Со следующего года Государственная премия РФ становится наградой заоблачной, по трудности получения сравнимой с Нобелевской. Прежние государственные премии переводят в разряд правительственных, числом поменее (сорок вместо пятидесяти), а отдельная молодежная номинация отныне не предусмотрена как таковая. Так что наша славная троица успела в последний вагон уходящего поезда. Удача в науке значит немало. Признание, пришедшее своевременно — мощный трамплин для дальнейшего роста. Но хватит о фортуне. Теперь о других слагаемых успеха, имя которым: школа, труд и талант.

Михаил Катасонов

У истоков новосибирской школы гидродинамической неустойчивости и турбулентности жидкостей и газов стояли академики В. Струминский и Н. Яненко. Об этом можно прочитать в книге «Ведущие научные школы России». Сегодня дело отцов-основателей продолжают доктора физико-математических наук Виктор Козлов и Валерий Рудяк, начинавшие еще в 70-х годах. А наши молодые люди стартовали в разное время, уже в 90-е. Михаил Катасонов и Валерий Чернорай вышли с кафедры аэрогидродинамики НГТУ, Василий Сова — выпускник НГУ, кафедра аэрофизики и газовой динамики. Все трое отучились в аспирантуре в лаборатории аэрофизических исследований дозвуковых течений (зав. лабораторией — д.ф.-м н. В. Козлов) и защитились в срок, что, по данным суровой статистики, среди нынешних механиков удается одному из пятнадцати. Когда начались конкурсы молодежных проектов СО РАН, были одними из главных застрельщиков — участвовали дважды и оба раза оказались в числе победителей. Поэтому заголовок отнюдь не случаен.

Валерий Чернорай

Аэродинамическую трубу, на которой все сделано, построил Струминский в 1969 году. Стоимость объекта была эквивалентна миллиону долларов. Обладая государственным мышлением, академик целенаправленно стремился создать аэродинамическую базу именно в Сибири, подальше от уязвимых европейских центров, и именно в Академии наук, вне ведомственных пределов. Годы его руководства Институтом теоретической и прикладной механики Сибирского отделения стали временем интенсивнейшего «трубостроительства». Труба Т-324, проект которой Струминский один к одному перенес в Новосибирск из города Жуковского, была построена в ИТПМ раньше, чем в ЦАГИ. Время подтвердило прозорливость великого ученого. Сегодня подмосковная труба-близнец, к сожалению, простаивает. У нас — кипят идеи, ставятся эксперименты, пишутся книги и, как результат, множится число лауреатов. В чем причина? В различии между подходами, техническим и физическим.

— Инженерные сливки уже сняты, — констатирует профессор В. Козлов. — В гражданской авиации, например, идет борьба за двухпроцентное увеличение дальности полета. Заметьте, о 50% речь уже не идет — это уже в прошлом. Поэтому сегодня для дальнейшего продвижения в этой области нужны новые физические идеи, понимание сути физических процессов. Именно на такую перспективу в свое время академик В. Струминский нацелил наш институт.

Василий Сова

Возможно, это покажется парадоксальным, но труба, предназначенная для изучения турбулентности, должна быть бестурбулентной. Для чего это нужно? При авиационных масштабах скоростей всеми возмущениями атмосферы можно пренебречь: аппарат пролетает сквозь идеально спокойную среду. На аэродинамической трубе физики решают обратную задачу: воздушный поток налетает на неподвижную модель. И для придания этому потоку идеальных качеств приходится идти на ухищрения. Специализированная труба строится из дерева — этот материал очень хорошо гасит акустические колебания. Снаружи — обычная фанера, окрашенная в небесный нежно-голубой цвет (видимо, кто-то в свое время вспомнил «струю светлей лазури»), внутри — фанера авиационная, тщательно отобранная, без единого сучка, к тому же еще и полированная. Собственно рабочая камера невелика — метр на метр, но общий размер сооружения — если не с футбольное поле, то пару баскетбольных площадок точно. Построили его таким длинным, чтобы 17-кратное «поджатие», успело задавить все возмущения в потоке к моменту его набегания на модель. Другие аэродинамические трубы работают от компрессоров (знаменитых ИТПМовских «бочек»), а эта — от двигателя с подводной лодки. Кстати, так и электричества расходуется меньше. Все сделано с умом и на совесть. В результате получается поток с минимальной акустикой и очень малой пульсацией. Теперь, добившись практически абсолютного спокойствия, ученые могут возмущать его дозированно и по заказу. Требуется акустика — включают динамик, возникает потребность в турбулентности — вставляют решетку. Идеальные условия легко испортить. Но получить их дешево — невозможно.

Трубу подобных достоинств впервые построили в Америке в самом начале сороковых. А уже в 1942 году обнаружили те самые волны неустойчивости, с которых все и началось. Теорией их существование предсказывалось, но выявить в природе долго не удавалось. А когда удалось, открытие на всякий случай засекретили на пять лет. В чем же заключается существо предмета?

Когда крыло самолета или, скажем, лопатка турбины начинает пронзать окружающую среду, часть газа или жидкости прилипает, образуя так называемый «пристенный пограничный слой». Оказалось, что в нем развиваются очень красивые плоские (на строгом языке науки — ламинарные) течения, по имени первооткрывателей названные волнами Толлмина-Шлихтинга. Конечно, на Ту-154 с его экстраординарными заклепками обнаружить их не удастся, но на Як-40, «Боингах», любой машине с гладким крылом это явление присутствует. Потом эти волны начинают потихоньку взбалтываться, турбулизоваться. Есть такой классический физический опыт, известный еще с XVII века. В прозрачную трубу, где спокойно течет вода, запускают порцию краски. Сначала она бежит ровной струйкой, потом начинает вилять и, в конце концов, заполняет собой весь объем трубы. Плохо это или хорошо? В некоторых случаях, например, в химических или биологических реакторах, предназначенных для перемешивания всевозможных веществ, данное явление оказывается весьма полезным. В авиации — эффект полностью отрицательный. Энергия топлива тратится не на сам полет, а на то, чтобы пересилить совершенно ненужные возмущения. Поэтому задача стоит такая — как можно дольше сохранить пристенное течение ламинарным, а не турбулентным. Если это получится, допустим, на 30 процентах хорды крыла, примерно такой же будет экономия горючего. Но проблема эта — не инженерная, а физическая. Необходимо в деталях разобраться в механизме ламинарно-турбулентного перехода.

Уравнение Навье-Стокса, описывающее движение любой жидкости в любой конфигурации, выведено давно, но решается только в отдельных частных случаях. Для пограничного слоя оно удачно преобразуется в так называемое уравнение Фокнера-Скена. Если с его помощью решить задачу устойчивости , мы увидим, как выглядит волна Толлмина-Шлихтинга. Некоторое время многим казалось, что теоретические выкладки не вполне совпадают с экспериментальными данными. Но в начале 90-х в ИТПМ были поставлены новые, более точные эксперименты, и скептикам пришлось смириться. Теория все описывает правильно: в пограничном слое на тонкой пластине волна Толлмина-Шлихтинга обязательно возникает.

Но что же происходит с ней дальше? Вспомним, как накатывается на берег океанская волна: на гладком песчаном пляже остается ровной и плоской, наткнувшись на мыс, опрокидывается по бокам, образуя два бурлящих потока. Впервые на это явление обратил внимание еще Леонардо да Винчи, исследуя обтекание мостовых опор. Сохранились наброски, в которых мастер скрупулезно фиксировал, как меняется конфигурация речных струй в зависимости от размера и формы преграды. Термоанемометра у него не было, приходилось перебиваться подручными средствами. Кто знает, быть может, загадочная улыбка Моны Лизы призвана отразить самоиронию гения, лишенного элементарной приборной базы? Но оставим область непроверенных исторических догадок и вернемся к установленным физическим фактам.

При попадании на любую неровность поверхности ламинарное течение преобразуется в лямбда-структуру, названную так за сходство с соответствующей буквой греческого алфавита: «голова» и две «ноги». Эти «ноги» и есть те самые продольные структуры, на которых развивается турбулентность. Происходит это не сразу. Сначала на продольных структурах возникают колебательные возмущения, приводящие к образованию вниз по потоку так называемого «юного турбулентного пятна», которое в дальнейшем превратится в собственно турбулентное. Все идет по своим законам, которые физики пытаются понять и использовать в своих целях. Чтобы иметь эффективные аппараты, летательные и плавательные, надо уметь этими процессами управлять.

Иногда подсказка приходит от живой природы. Традиционно считалось, что гладкая поверхность — это хорошо, поскольку обеспечивает минимальное трение. Однако акулья кожа вовсе не гладкая, а шероховатая, но плавает акула быстрее торпеды. Отсюда появилась идея сделать шероховатой стенку летательного аппарата. Такие шероховатости назвали риблетами. Поначалу была мысль оклеить ими все крыло и посмотреть, что будет. Оказалось, не так все просто: надо точно знать место расположения и размер. Но уже первые эксперименты показали, что амплитуда пульсаций на продольных структурах от этого уменьшается, следовательно, сопротивление трения снижается.

Дельфин, в отличие от акулы, гонит под своей податливой кожей мышечную волну, подстраивая ее под текущий момент времени. Поэтому теперь экспериментаторы вместо риблеты решили сделать в крыле небольшую вставку, которая может колебаться в плоскости поверхности. Эффект — поразительный. Зловредные продольные структуры «усохли» сами по себе. Бегущим возмущениям, приводящим к возникновению турбулентности, просто не на чем развиваться.

Наконец, есть уже концепция «думающей поверхности». Представьте крыло, снабженное датчиками и актюаторами на поверхности и процессором внутри. Некое возмущение влетает в пограничный слой извне со скоростью нескольких метров в секунду. А электроны в сети движутся со скоростью 300 000 километров в секунду. Пока это возмущение летит над поверхностью, мы успеваем проанализировать, что оно собой представляет, как развивается и чем его можно убить. Пока все это выглядит довольно фантастично, но может стать реальным с прогрессом вычислительных технологий.

Энтузиазм молодости, огромный труд и бездна изобретательности… Десятки опытов, тысячи измерений… Простейшие плоские и сложные пространственные слои, нелинейные стадии, когда волн становится настолько много, что трудно наблюдать за отдельной, скользящие крылья, расположенные под разным углом… Описать все это в рамках одной газетной статьи невозможно. Цикл работ, отмеченный Государственной премией — несколько десятков публикаций в различных журналах, российских и зарубежных. Эксперты были единодушны в оценках: открыто новое, принципиально важное научное направление, передовой фронт исследований на ближайшие годы.

Отрадно, что в последние годы в Сибирском отделении прослеживаются контуры осознанной молодежной политики. Иногда она приводит к блестящим результатам. Но почивать на лаврах рано. Успехи в подготовке кадров очевидны, чего не сказать об их закреплении. Михаил Катасонов оказался в числе счастливчиков, получивших беспроцентный кредит СО РАН на приобретение жилья. Однокомнатную квартиру он купил. Сейчас трудится в Южной Корее, учит корейских аспирантов и заодно зарабатывает деньги, чтобы рассчитаться. Валерий Чернорай обретается в Швеции. Там его и подловил фотограф, когда он что-то мудрил с координатным устройством. Шведы, которых он систематически застает врасплох своими сногсшибательными идеями, держатся за него двумя руками. А вдруг как удержат? Один Василий Сова чинно и спокойно позирует посреди родной трубы. Спокойно ли? Аспирантура закончилась, а «постдоковская» ставка (а точнее, отсутствие под него базового финансирования) — вещь ненадежная! А кому же еще место в науке, если не лауреатам Государственной премии? Не уподобится ли Академия тому суровому деду, который однажды, выведя внучка за порог, напутствовал отрока: «Ты не крест, чтобы у меня на шее висеть. Ступай-ка ты в люди!» Мальчишечка оказался живучим, «в людях» не пропал и свои университеты прошел, но никакой благодарности к деду не питал и черной краски для него не жалел. А впоследствии даже стал «буревестником революции». Может быть, хватит с нас революций?

Фото из архива ИТПМ

стр. 1, 7