«Наука в Сибири» В БОРЬБЕ ЗА СКОРОСТЬНакануне Дня космонавтики в Выставочном центре СО РАН состоялся очередной «Академический час» — директор Института теоретической и прикладной механики СО РАН академик В. М. Фомин выступил перед молодёжью с лекцией «Космические аппараты будущего». Ю. Александрова, «НВС» И хотя, судя по названию, презентацию предполагалось посвятить перспективам развития данной отрасли, рассказ свой академик начал издалека — с истории воздухоплавания, появления первых летательных аппаратов и зарождения аэрогидродинамики. Он напомнил собравшимся о тех, кто стоял у истоков и, прежде всего, об «отце русской авиации» Н. Е. Жуковском и его ученике С. А. Чаплыгине (он, кстати, последние годы жизни провел в Новосибирске, где есть улица его имени), который также вошел в историю современной аэрогидродинамики. Именно эти российские учёные смогли объяснить, на основании чего летательные аппараты могут держаться в воздухе при малых скоростях. Ими было проведено немало экспериментов, среди которых — необычные и даже забавные. Например, такой: Жуковский сидел в кресле, а Чаплыгин ехал на деревянном велосипеде с прикрепленным к нему крылом, на котором находились ленточки. Именно по этим ленточкам можно было судить о распределении скорости и давления по профилю крыла. Учёные выдвинули гипотезу о превращении скорости в нулевую в определенной точке, была вычислена циркуляция, а затем и подъёмная сила (всё для малых скоростей). За этим последовал вывод о том, какой надо иметь двигатель, чтобы аппарат поднялся в воздух. «Как только всё это объяснили, и стало понятно, что и каким образом надо делать, — отметил В. М. Фомин, — началась борьба за скорость. Инженеры стали делать новые летательные аппараты, появились новые двигатели, так добрались и до скорости звука. Именно тогда было введено число Маха, т.е. отношение скорости набегающего потока к скорости звука. Потом — Академик рассказал собравшимся о гиперзвуковых летательных аппаратах (ГЛА), которые способны осуществлять продолжительный полёт в атмосфере с гиперзвуковой скоростью, о сферах их применения и о сегодняшних проектах разных стран, связанных с их развитием. ГЛА являются средством быстрой транспортировки пассажиров и грузов, используются как космические транспортные системы, а также для создания высокоточного высокоскоростного оружия. В качестве примера был приведен европейский проект пассажирского самолета (в этом направлении сейчас движутся многие страны), проведено сравнение с аналогичным по дальности и пассажировместимости моделями. Полет от Брюсселя, например, до Токио или Сиднея на таком самолете можно совершить максимум за три часа. Были продемонстрированы схемы двигателей и прочих механизмов, чертежи и графики, отражающие режимы полёта, другие расчёты, которые необходимы при работе над подобными аппаратами. Перед гиперзвуковой аэротермодинамикой встает ряд вопросов, которые учёные пытаются решить, в том числе — проблемы пограничных слоев, ламинарно-турбулентного перехода и теплозащитных материалов. Дело в том, что в полёте происходит сильный нагрев, который зависит прежде всего от состояния пограничного слоя воздуха. Его как можно дольше нужно сохранять ламинарным, потому что турбулентность мешает полёту. Необходимо знать механизмы ламинарно-турбулентного перехода при таких скоростях, уметь им управлять («Впрочем, — отметил докладчик, — пока нет хороших методов в науке, которые предсказывали бы переход от турбулентного к ламинарному потоку»). Кроме того, нужны новые материалы и конструкции, выдерживающие высокие температуры, при этом они должны быть лёгкими и прочными. Что касается современных ракетных двигателей, они имеют низкую эффективность. Из-за этого вывод грузов на орбиту обходится слишком дорого. При использовании в воздушно-реактивном двигателе 600 т кислорода можно часть брать из воздуха. При аэродинамическом торможении кинетическая энергия аппарата превращается в тепло, сообщаемое воздуху и поверхности аппарата. Общее количество тепла, выделяемого, например, при аэродинамическом спуске с околоземной орбиты, составляет свыше 30 мегаджоулей в расчёте на 1 кг массы аппарата. Как же сверяются расчёты и теория? Освоение гиперзвуковых скоростей является одним из важнейших направлений работ МКБ «Радуга». Ещё в Имеется беспилотный экспериментальный гиперзвуковой летательный аппарат, построенный по программе НАСА разработки самолёта с прямоточным реактивным двигателем (для разгона, т.е. вывода на требуемую скорость и высоту использовался разгонный блок ракеты «Пегас»). Первый полёт состоялся в июне 2001 года, однако в одном случае имели место ошибки системы управления. Два других ЛА успешно выполнили программу: прямоточный реактивный двигатель работал 10 секунд, затем следовало В настоящее время работу по гиперзвуковым программам активно проводят многие страны, среди которых Австралия, Бразилия, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Италия, Китай, Россия, США, Франция, Швеция и Япония. Однако особое внимание на встрече со старшеклассниками было уделено научным проблемам и исследованиям, которые ведут учёные Сибирского отделения РАН, в частности, проектам Института теоретической и прикладной механики по изучению гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. У ИТПМ имеется неплохой задел и мировой приоритет по исследованиям гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. В институте не только впервые в мире была экспериментально продемонстрирована тяга ГПВРД, но и проведены испытания десятков различных конфигураций как отдельных элементов (воздухозаборников, камер сгорания, сопел), так и ГПВРД в сборе. Разрабатывались и малогабаритные прямоточные двигатели, которые можно использовать, например, в качестве высокоскоростных снарядов. Созданы уникальные гиперзвуковые аэродинамические трубы — установки, позволяющие проводить исследования гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей в условиях, близких к полётным. Проводится конструирование трехмерных несущих конфигураций с интегрированными поверхностью сжатия и воздухозаборником, а также изучение суммарных тягово-аэродинамических характеристик ГЛА с воздушно-реактивными двигателями. Учёные института занимаются экспериментальными исследованиями физических процессов горения в высокоскоростном потоке, управлением газодинамикой течения, оптимизацией горения в высокоэнтальпийном потоке в тракте гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. При испытаниях модели ГПВРД с горением водорода в импульсной аэродинамической трубе Обычно уникальные экспериментальные результаты получаются, когда используются уникальные методы, поэтому много внимания уделяется развитию экспериментальной техники. Здесь очень важно сотрудничество с институтами СО РАН, которое помогло разработать такие экспериментальные методы, в частности, датчики на основе микротрубок, созданные в ИФП по «технологии Принца». В лаборатории физики и технологии трёхмерных структур Института физики полупроводников под руководством В ИТПМ СО РАН создана уникальная аэродинамическая экспериментальная база, единственная в Академии наук и в азиатской части России. В аэродинамических трубах ИТПМ моделируются течения газов в диапазоне скоростей от малых дозвуковых до космических
Имеется также сверхзвуковая аэродинамическая труба «Современная наука немыслима без численных методов, — сказал в завершение академик В. М. Фомин. — Они позволяют более глубоко понять физические механизмы явлений, происходящих в гиперзвуковых потоках. Для этого мы используем как собственные, так и коммерческие программные пакеты, развиваем вычислительную базу, покупаем вычислительные кластеры. В этом году у нас уже будет кластер с 256 ядрами. Если же не хватает своих ресурсов, отрабатываем параллельное программирование, выходим на Сибирский суперкомпьютерный центр СО РАН, Москву, на зарубежных партнеров... Таким образом, создание нового класса гиперзвуковых летательных аппаратов с воздушно-реактивными двигателями является очень перспективным направлением развития техники высокоскоростных полетов. ИТПМ сохраняет приоритет в мире в этой области исследований, но в настоящее время для развития этого направления институту необходимо совершенствовать экспериментальную базу, в том числе построить новую аэродинамическую трубу, по своим параметрам не имеющую аналогов в мире». Что же может обеспечить новая аэродинамическая труба? Прежде всего, её создание позволит получить следующие параметры: сверхвысокие давления (до 3000 атмосфер) и температуры (до 3000 К) при достаточной продолжительности (>50 мсек), необходимые для проведения испытаний ГЛА с ГПВРД. По своим техническим характеристикам данная установка является уникальной, она займет ведущее место в мире, обеспечивая испытания перспективных летательных аппаратов на Фото В. Новикова стр. 3 |