СВОЕОБРАЗНЫЙ "РЕЗОНАНС"
Галина Шпак
"НВС"
Впервые в мире удалось зажечь объемный стационарный электрический
разряд с большой плотностью тока в гиперзвуковом потоке. Этот
неожиданный физический эффект, изменяющий волновую картину
сверхзвукового и гиперзвукового течений, зафиксирован
экспериментально на аэродинамических трубах в Институте
теоретической и прикладной механики СО РАН (Россия) и в
Лаборатории аэродинамических исследований города Пуатье
(Франция).
Решил нетривиальную "двойную" задачу аспирант ИТПМ СО РАН Антон
Лебедев. 31 января в Центре аэродинамических и тепловых
исследований города Пуатье он защитил диссертационную работу
"Экспериментальные исследования объемных электрических разрядов в
сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках газа".
На защите впервые встретились научные руководители диссертанта —
профессор Тьерри Алзиари де Рокфор — с французской стороны и
профессор Василий Михайлович Фомин — с российской. Антон Лебедев
был между ними хорошим "проводником", поэтому и установился
своеобразный "резонанс" — взаимное усиление мысли ученых,
занимающихся аэродинамикой, наукой, возникшей в двадцатом веке.
Не могу удержаться и напомню, что в 1891 году Отто Лилиенталь
совершил первый парящий полет. Буквально через год французский
ученый и публицист Шарль Пише зафиксировал Это возникающее:
"Можно с полной уверенностью предположить, что в 1992 году
появятся воздушные аппараты, которым не нужны будут никакие колеи
и которые смогут передвигаться в любом направлении. Они также
существенно облегчат международное сообщение..." Можно по
достоинству оценить прозорливость предшественников и улыбнуться
улыбкой очевидца, знающего, насколько лет ошиблись наши
"прапра...". А вот цитата из недавних прогнозов: "Освоение
космического пространства дало толчок совершенствованию и
стремительному развитию технологии и техники в самолетостроении.
Этот прогресс не ограничивается формулировкой концепций создания
и использования гигантских воздушных кораблей. Довольно
интересные перспективы открываются на пути создания самолетов с
вертикальным стартом и дальнейшим совершенствованием
вертолетов..." Стремительное развитие техники и технологии
отражает движение научной мысли. Образно говоря, теория и
эксперименты современной аэродинамики направлены и действуют
вперед летящего тела — ракеты или самолета. Общая идея, в том
числе исследователей Института теоретической и прикладной
механики СО РАН, связана с созданием гиперзвукового летательного
аппарата. Чтобы аэрокосмический самолет взлетел, нужен
принципиально новый двигатель. Как говорит директор института,
член-корреспондент В.Фомин, нужно выводить технику и высокие
технологии на новые параметры. Кто сможет проводить эксперименты
на Земле, тому и в Воздухе откроются новые дороги. Новые
аэродинамические трубы ИТПМ позволяют приближаться к цели.
В контексте крупной мировой проблемы задача, предложенная
профессором В.Фоминым своему аспиранту, выглядела несколько
экзотично: возможно ли с помощью энергии в виде электрического
разряда активно влиять на аэродинамические характеристики
летательного аппарата? На студенческом жаргоне это задача "на
сопротивление тел". Существует много способов управления потоками
газа вблизи тела. Даже такие необычные, с использованием лазерной
искры... Но зажечь разряд вблизи тела? В литературе подобные
эксперименты не описывались, хотя сама постановка задачи, вернее
некие мысли по этому поводу вроде бы витали в воздухе. К тому же,
если учесть, что современный эксперимент стал поистине искусством
с особыми навыками и умением, и что экспериментальные методы
несводимы к общим правилам, — то и результат опыта не исключает
риска остаться только экзотическим явлением. А вот Антону
Лебедеву, благодаря счастливым обстоятельствам, удалось
подтвердить результат на двух аэродинамических трубах и показать —
как можно управлять ударной волной с помощью энергии
электрического разряда.
СКВОЗЬ НЕВИДИМУЮ "ЧЕРНУЮ" УДАРНУЮ ВОЛНУ
Пока мы шли по коридору старого институтского корпуса, а затем
спускались вниз по узкой железной лестнице, чтобы попасть в
рабочие помещения лаборатории физики быстропротекающих процессов,
я прикидывала в уме цифры.
Студент учится не пять-шесть, а лет пятнадцать, чтобы стать
приличным исследователем. В любом деле так. И музыканту требуется
не меньше времени, чтобы научиться играть, допустим, на трубе.
Аэродинамическая труба в каком-то смысле тоже "духовой"
инструмент, так что я причислила Антона Лебедева к
немногочисленной группе институтских "трубачей", способных
генерировать новые идеи и строить современные аэродинамические
установки и комплексы.
Благодаря интересно поставленной задаче и двойной аспирантуре
Антон построил "русскую" трубу и "французскую". Строил
параллельно, и эксперименты проводились попеременно — то здесь,
в лаборатории ИТПМ, то там — в лаборатории города Пуатье.
Разумеется, у него были помощники и не только по конструкторской
части.
В принципе первая установка на три Маха (М=3,2, что превышает
скорость звука в три раза) обошлась очень дешево. Некоторые ее
детали были найдены на институтской свалке отработанного, никому
не нужного железа. Пришлось и самому поработать на фрезерном
станке и вместе со студентами чистить-красить комнату, где
монтировалась труба. На вид она скромная, небольшая, длиной не
более двух метров, такая "студенческая", но довольно тонкая
установка. Как у всех — сверхзвуковых или гиперзвуковых — у нее
есть еще скрытая часть в подполье, в подземелье, где находится
вакуумный насос и другое специальное оборудование. Обычно эта
труба работает с легким посвистыванием. По сравнению с другими
трубами, она очень тихая.
Когда мы вошли в комнату, труба молчала. Она напоминала
скульптуру — осьминога с усеченными щупальцами.
— Да, похожа, — отозвался Антон. — Пришлось помучиться не
меньше года. Создавая установку, искал технологию, необходимые
условия для получения искомого разряда. И в значительной
степени — технологию конструирования самих моделей — из каких
материалов их надо сделать, учитывая противоречивые условия
эксперимента. Это были осесимметричные модели, которые имели
форму тупого цилиндра, а также цилиндра с головной частью в виде
усеченного конуса и полусферы. В диаметре не больше карандаша.
Для того, чтобы наблюдать процесс, в рабочей части трубы сделаны
смотровые окна. Сквозь эти специальные стекла проводились
специфические съемки, да и попросту можно было сфотографировать
разряд обычным фотоаппаратом. Разряд напоминает пламя свечи,
горящей в совершенно невозмущенной атмосфере — розовое такое
пламя столбиком, совершенно не колышется.
— Но сначала вы все это получили, как говорится, на бумаге?
— На бумаге сделать что-либо было почти невозможно, потому что
разряд — это "такой зверь", живущий своей интересной жизнью. Он
очень чувствителен к технологии своего рождения и содержания, то
есть все зависит от модели и внешних условий. Можно получить дугу
или некий пробой. Что угодно, но только не устойчивый, объемный
разряд...
Разряд, точнее — два разряда — "русский" и "французский" — я
увидела только на картинках.
— Ответ красивый, но как возникает задача? Просто стукнуло в
голову?
— Существовал проект, была задача о проектировании такого
летательного аппарата, который бы использовал эффекты магнитной
газодинамики в своем рабочем тракте, то бишь, — двигателя именно
гиперзвукового аппарата. Нельзя ли как-то оборачивать эту энергию
таким образом, чтобы использовать для улучшения свойств подобного
аппарата? Примерно так звучало. Над этим проектом работали разные
институты в Москве, Санкт-Петербурге и здесь, в Новосибирске.
— Как известно, ни двигателя, а значит — и аэрокосмического
самолета, еще не существует.
— Но из этой большой задачи возникла другая. Хотя и маленькая
часть, но самостоятельная. Первоначальная ее формулировка была
приблизительно такая: возможно ли с помощью выделения энергии в
виде электрического разряда активно влиять на аэродинамические
характеристики при внешнем либо внутреннем обтекании тел со
сверхзвуковым потоком газа? Это должен быть довольно сильный
ток — объемный и устойчивый. Но будет ли существовать такой разряд?
В литературе — почти никаких данных. И уверенности не было —
загорится ли?! Когда все-таки удалось получить искомый разряд,
выяснилось, что он действительно видоизменяет волновую картину,
структуру сверхзвукового течения.
— На картинке все просто, но как организуется, возникает разряд?
В потоке газа между собственно обтекаемым телом вроде маленькой
ракеты? И чем?
— Да, между "ракетой" диаметром с карандаш и расположенным выше
по потоку вторым электродом и возникает разряд. Смотрите, — вот
эта розовая область и синяя бывает. Разряд может гореть постоянно
в течение всего эксперимента. Труба включается на 30 секунд и
разряд горит столько же, но его горение ограничивается не
технологией зажигания, а длительностью работы аэродинамической
трубы. В принципе разряд может гореть сколь угодно долго.
Посмотрите, что получается, когда мы зажигаем разряд, —
обтекание тела сверхзвуковым потоком. Видите черную черту?
— Петля такая?
— Это то самое явление, называемое "ударной волной". Это такой
слой, за которым возрастают давление газа, его плотность и
температура. Ударная волна, эта поверхность, не видна
невооруженным глазом. Существуют специальные методы визуализации,
и получается картинка. Когда сквозь ударную волну проходит
воздух, он начинает сильнее давить на тело. Давление как раз
обусловливает сопротивление тела. Если давление возрастает, —
действует сила, которая мешает полету. Так вот, с помощью
электрического разряда мы получили почти восьмикратное снижение
давления торможения. Что нас интересовало? Устойчивость процесса.
Разряд был получен таким, что он имеет устойчивый характер с
очень большой скоростью. Мы сделали совмещенную фотографию —
внешний вид разряда плюс волновая картинка.
— Вот, вот, самое интересное — геометрия ударной волны — как,
куда она исчезает? Мне любопытны подробности.
— Это то, ради чего затевались эксперименты. Уточняю —
сопротивление тела во многом обусловлено именно ударными волнами.
Когда со сверхзвуковой скоростью летит некое тело — стрела,
ракета, самолет — всегда образуется преграда — ударные волны
создают так называемое волновое сопротивление и довольно
значительное, тем более при гиперзвуковых скоростях. Если
каким-то образом убрать эти волны или так изменить их
конфигурацию, чтобы не мешать полету — такую задачу Фомин
Василий Михайлович и ставил, то есть — как повлияет
электрический разряд на структуру ударной волны, на ее геометрию.
И нельзя ли вообще ее "убрать".
— Чтобы она исчезла?
— Об исчезновении тогда речь вообще не шла. Просто посмотреть,
что произойдет, если поменять геометрию ударной волны. Как
повлияет — положительно или отрицательно. Однажды это произошло.
Я пригласил своего руководителя, чтобы не одному убедиться в
существовании эффекта. Вдруг ошибся? Он пришел, посмотрел и
сказал: "Хорошо. Продолжаем работать в этом направлении". Начали
исследовать и отметили, что часть ударной волны, находящаяся как
бы в центре, вообще исчезает. Иными словами — мы получили
изменение ее геометрии.
— Если представить реально такие условия для самолета или
космического корабля, — что произойдет?
— Это, конечно, еще из области фантастики, но если бы такие
условия можно было бы создать на реальном аппарате, то тогда
смогли бы уменьшить мощность двигателя в два раза и при этом
лететь с заданной скоростью.
— Тоже интересно.
— Не самолет, конечно, но более "тупое" тело — ракета, например
на высоких скоростях и на приличной высоте. Но пока что все
остается на уровне маленьких макетов. На уровне фундаментальных
исследований, нежели каких-то авиационно-космических предложений.
— А что в подтексте ваших экспериментов?
— Большого подтекста здесь нет. Мы получили тот эффект, который
желали получить, но даже в большем объеме, чем предусматривалось.
Самое интересное, что был создан сам инструмент — объемный
стационарный электрический разряд, который сам по себе
неординарный объект для исследований. И сейчас ясно, что еще
можно много-много работать. Остаются серьезные вопросы, которые я
намереваюсь изучать. Например, — влияние фактора масштаба. Если
увеличить головную часть модели в пять, десять раз? Или — какое
влияние окажет электрический объемный разряд на сверхзвуковое
обтекание тонких тел, профилей, особенно на поведение
пограничного слоя. А это добавляет интереса к проблеме.
— Антон, основные эксперименты проходили в лаборатории Пуатье на
семи Махах? Именно на гиперзвуковой аэродинамической трубе
удалось впервые в мире зажечь электрический разряд.
— Сначала он был получен здесь, в ИТПМ, в сверхзвуковом потоке
при числе М=3,2. Эти эксперименты друг друга дополняли. Считаю,
что самое главное произошло на малой трубе — доскональная
отработка технологии и прочих важных вещей. В экспериментах на
гиперзвуковой трубе оказались более сложные условия:
энерговыделение в области разряда дополнялось высокой энтальпией
набегающего потока. Нужно было как-то решить проблему с
теплоизоляцией и электроизоляцией. Технология, найденная здесь,
была использована там, в Пуатье. И получилось — подтвердилась ее
эффективность. И результаты там и здесь дают более целостную
картину. И что поразительно? На совершенно различном оборудовании
получены адекватные результаты. Эксперименты, начиная с 1998
года, продолжались вплоть до лета 2000-го года. Под конец у меня
появился старенький компьютер. Я его привел в порядок, поставил
плату и теперь можно автоматизировать снятие экспериментальных
данных.
— Ваш диплом доктора философии или по международным меркам —
Ph.D. — признают в России или придется снова защищаться, чтобы
стать на русский лад — кандидатом физико-математических наук?
— Этими вопросами я сейчас и занимаюсь — штудирую бюллетень
Высшей аттестационной комиссии.
(Окончание следует)
стр.
|