«ЭКСПЕРТ»
НА КОСМИЧЕСКИХ ВЫСОТАХ
47-я Международная конференция по аэрокосмическим наукам (AIAA Aerospace Sciences Meeting) американского Института аэронавтики и астронавтики прошла в городе Орландо (Флорида, США). В ее работе участвовали не менее двух тысяч специалистов.
Галина Шпак, «НВС»
На таком представительном форуме в потоке научной информации яснее проявляются тенденции развития научных направлений, в том числе и аэротермодинамики перспективных аэрокосмических летательных аппаратов, которые могут совершить перелет, например, из Сан-Франциско в Сидней за 90 минут или, взлетая с обычного аэродрома, совершить орбитальный полет вокруг Земли. Однако участнику этой конференции профессору Михаилу Самуиловичу Иванову пришлось по старинке испытать, и в который раз, утомительный пятнадцатичасовой перелет из Новосибирска через Москву и Нью-Йорк в Орландо.
Заведующий лабораторией вычислительной аэродинамики М. С. Иванов представлял на конференции Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН и результаты его исследований в рамках Европейско-Российского проекта «Эксперт».
 |
Профессор М. С. Иванов и его молодежная команда: к.т.н. А. Кашковский, аспирант Д. Арискин, аспирант А. Шершнев, м.н.с. А. Шевырин, к.ф.-м.н. Д. Хотяновский, н.с. П. Ващенков.
|
Мне хотелось узнать, почему зимняя конференция, лет двадцать проводившаяся в небольшом городе Рино, штат Невада, переехала в городок Орландо, штат Флорида, но невольно пошутила: «Что-то в Америке много итальянского!»
— В США всего много, — парировал мой собеседник. — Вы знаете, что там находится более двадцати местечек под названием «Москва»? И несколько Санкт-Петербургов. Я лично знаю три американских Санкт-Петербурга и, кстати, один из них находится недалеко от Орландо...
Неподалеку от Орландо, на атлантическом побережье штата Флорида, на знаменитом мысе Канаверал расположен космический центр им. Дж. Ф. Кеннеди, где испытывают ракетную технику и проводят запуски космических кораблей. И проект создания космического самолета заиграл определенными красками.
— Конечно, эта программа не близкого будущего. Она рассчитана вплоть до 2030 года. Напомню, что летные эксперименты проводились и в России, а сейчас, в основном, в США и Австралии. Но пока разработчики далеки от конечной цели.
— Очевидно, не настолько далеки, чтобы разочароваться. Ведь и новые науки, связанные с космосом, зарождались буквально вслед за сигналом первого советского спутника Земли в 1957 году.
— Действительно, это событие повлияло на исследователей. Известно, что после запуска нашего спутника в Париже в 1958 году состоялась первая конференция по динамике разреженного газа. Мировое научное сообщество стало приглядываться к науке под названием «Аэродинамика разреженного газа» уже в практическом приложении, — уточнил М. Иванов. — С тех пор эта конференция проводится каждые два года в различных странах мира и, естественно, в России. Это основной форум специалистов по кинетической теории и аэродинамике разреженного газа.
Наша лаборатория занимается вычислительной аэротермодинамикой разреженного газа на основе кинетического подхода, используя метод прямого статистического моделирования (Монте-Карло). Мы занимаемся исследованием влияния разреженности и эффектов реального газа на интегральные аэродинамические характеристики и распределенные силовые и тепловые нагрузки аэрокосмических аппаратов на орбитальном участке полета и начальном участке траектории спуска в атмосферу Земли до высот 70-80 км, где уже можно использовать методы и средства классической вычислительной аэротермодинамики, основанной на решении уравнений Навье-Стокса и Эйлера.
Для многих исследователей именно участие в международных конференциях определило их научную карьеру. В послужном списке профессора М. С. Иванова первое участие в работе международной конференции по динамике разреженного газа датируется 1982 годом. Та памятная конференция проводилась в Новосибирске под руководством академиков С. С. Кутателадзе и А. К. Реброва (в ту пору — доктора наук). А в аналогичной конференции за рубежом впервые довелось участвовать только в 1990 году.
— Тогда мы побывали на конференции в Германии, где продемонстрировали уровень своих работ, — вспоминает М. С. Иванов, — А их оценка выразилась в массе предложений на участие в других конференциях и совместных научных исследованиях.
Современный этап развития исследований по кинетической теории и аэродинамике разреженного газа продемонстрировала международная конференция 2006 года, организованная Сибирским отделением РАН — институтами Теплофизики и Теоретической и прикладной механики. На этот раз ее сопредседателями были академик А. К. Ребров и профессор М. С. Иванов. Географически конференция проходила в Санкт-Петербурге, где неделей раньше состоялась встреча на высшем уровне — саммит стран большой восьмерки, так что участники конференции посчитали это событие хорошим знаком для укрепления международных научных контактов.
И, наконец, невозможно не упомянуть еще об одном событии. В 2005 году под эгидой стран Европейского союза и России начал свою работу новый международный конгресс EUCASS, аналогичный американскому форуму по аэрокосмическим наукам. Первый EUCASS конгресс состоялся в Москве в 2005 году, затем в 2007 году в Брюсселе, а следующий ожидается в этом году в Версале. Цели и задачи Европейского конгресса — объединение усилий исследовательских центров в создании новых направлений для изучения космоса с точки зрения физики полета, управления, горения и надежности конструкций. На этой конференции обсуждаются результаты фундаментальных и прикладных исследований, необходимые для создания аэрокосмических аппаратов нового поколения.
— Участвуя в международных конференциях, сотрудники нашей лаборатории представляли приглашенные, пленарные и секционные доклады по высотной аэротермодинамике, а также по вопросам, связанным с течениями в микроустройствах. В частности, на январской конференции AIAA в США я представлял доклад о создании аэродинамической базы данных для Европейско-Российского проекта «Эксперт». Основная цель этого проекта — создание возвращаемой капсулы и оснащение ее измерительной аппаратурой для анализа критических аэротермодинамических явлений в гиперзвуковом полете. Эту капсулу, так называемый «летный демонстратор», разрабатывают совместно Франция, Германия, Италия и Нидерланды. В России работы по проекту «Эксперт» проводятся в рамках международного научно-технического центра (МНТЦ) Государственным ракетным центром им. В. П. Макеева, расположенным в г. Миассе, Институтом проблем механики РАН и нашим институтом.
Подумалось, что летный демонстратор — это летающая лаборатория, о чем я и спросила Михаила Самуиловича, чтобы убедиться в своей догадке, и услышала в ответ:
— Да, во время полета будут проведены измерения различных аэротермодинамических параметров на больших и промежуточных высотах полета, вплоть до посадки космического корабля на Землю.
— Все-таки, как выглядит этот демонстратор, известны ли его параметры, и каким образом его будут запускать в космос?
— Демонстратор — это летная капсула, оснащенная различной измерительной аппаратурой. Запуск демонстратора «Эксперт» будет осуществлен с помощью морской баллистической ракеты «Волна», разработки Государственного ракетного центра
им. В. П. Макеева, с подводной лодки. Этот центр уже более десяти лет оказывает такие услуги для научных экспериментов по исследованию космического пространства. В 1995 году по контракту с германским космическим агентством впервые был проведен с подводной лодки запуск ракеты-носителя «Волна» со спасаемым летательным аппаратом, оснащенным парашютной системой. На аппарате была размещена научно-исследовательская аппаратура Бременского университета. Ранее ракета «Волна» также использовалась для отработки принципиально новых спускаемых аппаратов с надувным тормозным устройством для доставки грузов с околоземной орбиты или спуска исследовательских аппаратов на другие планеты. С помощью ракеты-носителя «Волна» в 2004 году был запущен на околоземную орбиту космический аппарат разработки НИЦ им Г. Н. Бабакина, оснащенный «солнечным парусом». На ближайшие несколько лет в рамках международных космических программ запланированы более десяти пусков конверсионных ракет-носителей с экспериментальными аппаратами Европейского космического агентства и США.
Михаил Самуилович включил ноутбук и показал мне рекламный фильм, демонстрирующий возможности Государственного ракетного центра для проведения международных летных экспериментов. На экране — старт ракеты из-под воды! Это как Ниагарский водопад, но снизу вверх!
— Интересно, каким образом будут запускать капсулу? Она будет находиться в ракете, как в люльке, а подводная лодка на глубине, и прямо из океанских толщ — пуск?
— Капсула будет находиться не в люльке, а под обтекателем ракеты. Он раскрывается на большой высоте, около ста километров, и капсула выходит на орбиту.
— И как долго она там будет жить?
— В зависимости от задач и условий. Демонстратор «Эксперт» совершит баллистический полет длительностью менее одного часа, то есть вход и выход из космического пространства. Во время спуска будут проводиться различные экспериментальные исследования. Это очень важно для понимания физики гиперзвукового полета. Речь идет не только о возвращении с земной орбиты, но и о возвращаемых межпланетных аппаратах, которые полетят на Луну и дальше. Они будут возвращаться на Землю со второй космической скоростью, и здесь очень важны вопросы аэротермодинамики в целях обеспечения безопасности.
— Когда же полетят на Луну?
— Ранее NASA заявляло о своих планах вновь доставить человека на Луну
с помощью находящегося на данный момент в разработке пилотируемого
космического корабля «Орион» к 2020 году. В этом же году Китай намерен осуществить высадку на Луну своего тайконавта. Япония собирается высадить человека на поверхность естественного спутника Земли в течение 10 лет, а к 2025 году планирует начать функционирование обитаемой станции на Луне.
В 2012 году Россия планирует направить на Луну миссию «Луна-Глоб» для
доставки лунного грунта и выбора мест для будущих экспедиций. Глава Роскосмоса говорил, что разработана концепция развития российской пилотируемой космонавтики до 2040 года, которая предусматривает программу освоения Луны в 2025-2030 годах.
— А как дела на Марсе?
— Уже в октябре этого года Роскосмос планирует запуск космического аппарата
«Фобос-Грунт» к Марсу, который впервые в истории мировой космонавтики должен доставить на Землю образцы породы со спутника Марса. А российский полет на Марс планируется на 2035-2040 годы.
— Хорошо, в таком случае скажите, когда начнется летный эксперимент по проекту «Эксперт»?
— В следующем году. Мы провели расчетные и экспериментальные исследования аэротермодинамики капсулы «Эксперт» и создали аэродинамическую базу данных. Основная цель нашего участия в проекте — это сравнение полетных данных и численных предсказаний. Иначе говоря, мы должны научиться переносить результаты расчетных и экспериментальных исследований на натурные условия полета.
— Но вы уже это умеете!
— Где-то умеем, где-то — нет. Довольно прилично умеем делать это для орбитальных станций. На орбите мы можем предсказывать силовые и тепловые характеристики с необходимой точностью. А на этапе спуска возникают свои проблемы. И новый эксперимент как раз поможет преодолеть эти трудности.
— Где вы решаете конкретные вычислительные задачи?
— На машинах Сибирского суперкомпьютерного центра. К тому же у нас в ИТПМ довольно мощная вычислительная база. Именно в Институте теоретической и прикладной механики еще в 1994 году создали первый за Уралом параллельный вычислительный кластер. Причем в его архитектуре использовались обычные персональные компьютеры фирмы IBM. Этот факт вполне определенно доказывает, что лаборатория вычислительной аэродинамики — одна из немногих в Российской академии наук по своей специализации, и ее уникальность раскрывается не только в прикладном программировании, но и в системном, а также в создании технических средств.
Из любопытства я спросила Михаила Самуиловича, как же удалось купить «связку персоналок» компьютерной фирмы IBM в самое трудное для науки время?
— Благодаря контракту. Мы для этой фирмы делали некое программное обеспечение, а они расплатились деньгами и техникой. Так в институте появилось восемь компьютеров, а мы их объединили в вычислительный кластер. Наша команда — одна из ведущих в мире в области высотной аэротермодинамики космических аппаратов. Исследования начались в далекие уже 70-е годы, а десятилетие спустя мы создали большую программную разработку для российской космической индустрии — пакет прикладных программ «Высота». Наша «Высота» использовалась многими конструкторскими бюро. До сих пор мы продолжаем тесное сотрудничество с ракетно-космической корпорацией «Энергия». В частности, сотрудники лаборатории участвовали в вычислениях аэродинамических параметров космической станции «Мир». Созданная база данных использовалась в сценарии затопления станции в 2001 году.
— Помню это печальное событие. Мы тогда познакомились. Я брала у вас информацию по этому поводу.
— Да, годы идут. Мы сделали ряд программных разработок, которые используются в практике Российского космического агентства и Европейского космического агентства. И, разумеется, выполняем работы по международным проектам. Напомню, что тесному сотрудничеству с Европейским космическим агентством способствовали международные конференции.
— У вас в лаборатории большая команда?
— Порядка десяти человек плюс три аспиранта и столько же магистрантов. В основном это выпускники НГУ и Новосибирского технического университета. Команда — самая молодая в институте. По итогам прошлого года у нас первое место по ПНРД.
— Кстати, о цитируемости...
— Сейчас наши результаты постоянно цитируются, и здесь нам тоже помогает тесное научное общение.
— Ваши самые молодые сотрудники — программисты или чистые математики?
— Они, конечно, очень хорошо программируют, но, прежде всего, понимают физическую сущность задачи. Они все-таки аэродинамики.
— А вас как называть? Математиком, механиком?
— Сам не знаю. Я заканчивал механико-математический факультет МГУ, и в моем дипломе написано: «механик».
— Если в лаборатории работают физики, механики широкого профиля, значит все они высшей квалификации?
— Да, многие из них — кандидаты наук. В прошлом году наша сотрудница Ирина Вячеславовна Швейгерт защитила докторскую диссертацию, а в этом году докторскую диссертацию должен защитить Алексей Николаевич Кудрявцев. Надеюсь, до конца года защитятся еще два наших молодых сотрудника.
— Можно ли сказать, что ваша работа необходима многим лабораториям института?
— У нас очень тесная кооперация с экспериментаторами, которые работают на аэродинамических трубах. Есть специальная тематика по сверхзвуковым, гиперзвуковым течениям. Исследуются различные эффекты, возникающие при гиперзвуковых скоростях полета летательных аппаратов — космических и обычных самолетов. Для контраста отмечу еще одну тематику. Мы уделяем большое внимание расчетным течениям на микроуровнях, в микроэлектромеханических устройствах. Мы поддерживаем эксперимент вычислениями. В результате можно принять или отвергнуть какие-то гипотезы и получить знания по течениям в микроустройствах.
— И в новых интеграционных, междисциплинарных проектах Сибирского отделения вы тоже участвуете?
— Наша лаборатория занята в нескольких проектах. Мы работаем в составе команды академика Б. Г. Михайленко (ИВМиМГ). Это как раз проект «больших задач». А с академиком С. К. Годуновым (ИМ) сотрудничаем по созданию вычислительных алгоритмов и параллельных программ для суперЭВМ. И вместе с чл.-корр. РАН В. Г. Хорошевским (ИФП СО РАН) занимаемся исследованием задач газового разряда. Это всё — очень большие задачи, практические и чисто научные, и, естественно, требующие больших вычислительных ресурсов. Мы решаем такие задачи и в Сибирском суперкомпьютерном центре.
В последнее время активно работаем вместе с Институтом физики полупроводников, с лабораторией профессора О. П. Пчелякова. Нас познакомили партнеры из корпорации «Энергия». Года два назад мы встретились, хотя давно соседи.
— Знаю, Олег Петрович занимается космическим экспериментом.
— Точнее, создает фабрику в космосе для создания новых типов солнечных батарей. Мы проводим математическое моделирование собственной газовой атмосферы около международной космической станции (МКС). Такие знания абсолютно необходимы для будущих экспериментов в космосе, которые готовит Олег Петрович со своими сотрудниками. Они хотят использовать на МКС молекулярный экран, в обиходе его называют «космическим щитом», который защитит аппаратуру для производства новых типов солнечных батарей от воздействия газовой атмосферы около МКС. А мы для них численно анализируем состояние собственной атмосферы МКС.
— Можно сказать, что в Сибирском отделении существует «собственный» космический проект?
— Думаю, не единственный.
Фото В. Новикова
стр. 4-5
| 
