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.
стр.
|
