http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=bee0a465-d6ba-48f0-a8e0-e921629d0a2e&print=1© 2024 Российская академия наук
Немецкое общество аэронавтики и астронавтики имени Лилиенталя-Оберта присудило доктору физико-математических наук Юрию Качанову (Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН) высшую академическую награду — Кольцо Людвига Прандтля. Это золотой перстень с горным хрусталем, на котором выгравирована летящая птица — символ мечты о полетах еще с древних времен. Кольцо ежегодно вручается тем, кто эту мечту делает былью.
Награда была учреждена в честь Л. Прандтля (1875-1953) — немецкого ученого, считающегося одним из отцов аэродинамики, создавшего одну из первых аэродинамических труб и основополагающую теорию пограничного слоя. Первое кольцо вручено в 1957 году Теодору фон Карману (Франция). Среди носителей кольца немало известных людей, представляющих научные школы стран Европы и Америки. Впервые в этом году награды удостоен российский физик, главный научный сотрудник ИТПМ СО РАН.
Сегодня Ю. С. Качанов делится впечатлениями о церемонии награждения, рассказывает о направлениях своей работы.
— Вручение награды состоялось 23 сентября на торжественном открытии ежегодного конгресса по аэронавтике и астронавтике в г. Дармштадте (Германия). Ритуал начинается с представления нового лауреата. С такой речью выступил профессор Рихард Эпплер, патриарх немецкой аэродинамики. Кстати, он признался, что при подготовке выступления у него возникла проблема: «Слишком уж вы продуктивны. Трудно выбрать лучшие работы для представления».
В самом деле, эта награда — результаты исследований всей группы, которой я руковожу. Это я подчеркнул в ответном слове. Хотя по статусу Кольцо — награда личная, но ее заработал весь коллектив. Прежде всего, наша лаборатория, институт, а также коллеги из-за рубежа. В этой области науки нельзя без тесной кооперации. Я считаю, что премию дали за ту совокупность работ, за те результаты исследований, которые получены как в Новосибирске, так и в совместных проектах с научными центрами Германии, США, Китая, Швеции.
— Есть ли какие-то обязанности у награжденного?
— В основном, это почет. Никаких правил ношения перстня нет. Лауреаты надевают его по торжественным случаям. Кстати, он изготавливается по индивидуальным размерам. Вместо перстня для постоянного ношения есть небольшой значок, который входит в состав награды вместе с памятным именным сертификатом. Меня не раз спрашивали, сопровождается ли награда денежным эквивалентом. Нет, это не предусмотрено.
— За какие результаты выделили именно вас? В каком направлении работает ваша группа?
— В аттестате награды записано: «В признание заслуг в исследованиях восприимчивости, перехода и турбулентности в пограничных слоях и сдвиговых течениях, включая экспериментальные исследования».
Попробую более популярно объяснить. Существуют две формы течения жидкости в приповерхностной области обтекаемых тел: либо струйное ламинарное, либо сильно завихренное турбулентное. Тот или другой режим возможен в зависимости от ряда обстоятельств. Конструкторам авиационной техники, естественно, хочется сохранять ламинарный режим течения, потому что при этом сопротивление трения летательного аппарата в десятки раз меньше, чем при турбулентном. В ламинарном режиме уменьшается и нагрев поверхности, что особенно важно при полетах на больших скоростях.
Исследования нашей группы нацелены на выяснение того, почему ламинарное течение переходит в турбулентное и при каких условиях возможно задержать или предотвратить переход. Необходимо научиться контролировать положение этого перехода какими-то техническими средствами, правильно рассчитывать обтекание летательного аппарата. Над этими проблемами работают во всем мире уже более ста лет. Наш коллектив в основном ведет эксперименты. С гордостью отмечу, что в большинстве случаев наши результаты превышают лучшие достижения аналогичных научных групп. Зачастую мы решаем задачи, которые не смогли решить другие. Об этом свидетельствует и высокий индекс цитирования. Показателем уровня проводимых работ является и то, что на протяжении 15 лет мы сотрудничаем с фирмой «Боинг». Результаты расцениваются партнерами как очень надежные, они используются для апробации некоторых методов расчета положения ламинарно-турбулентного подхода. Благодаря контрактам с зарубежными компаниями и лабораториями даже в 1990-е годы мы успешно развивались. У нас постоянно идет большое число проектов, поддержанных разными научными фондами. В настоящее время выполняется уже третий контракт с Германией, поддержанный РФФИ, действует грант Пекинского университета аэронавтики и астронавтики. Подана заявка на проект европейского масштаба — это так называемая седьмая рамочная программа Европейского научного агентства. Здесь предполагаются фундаментальные исследования проблем возбуждения волн неустойчивости в пограничных слоях. Наша группа будет играть основную роль в проведении эксперимента, а другие соисполнители — теоретически обсчитывать, создавать математические модели.
Есть еще один существенный момент. Поскольку наши работы экспериментальные, необходимо иметь специфическое оборудование. Свой вклад в успешные исследования вносит и уникальная установка — аэродинамическая малотурбулентная труба Т-324. Она была создана еще в конце 1960-х гг. по инициативе академика В. В. Струминского. Этот дальновидный шаг заложил основы исследований возникновения турбулентности.
— Есть ли интерес к вашим работам у отечественных авиастроительных компаний?
— Это больной вопрос. Естественно, мы бы очень хотели сотрудничать с российскими фирмами. Кстати, в советское время у ИТПМ было много хоздоговоров с конструкторскими бюро и предприятиями авиапрома. Сейчас контакты с их представителями показывают, что пока нет средств на перспективные научные исследования. Вы знаете, что происходит с самолетным парком страны. Он постепенно заменяется на западные образцы, потому что их двигатели лучше. Самолет условно делят на две части — планер и двигатель. Так вот, «планер» у нас по-прежнему на самом высоком уровне, часто превосходящем западные аналоги. А качество двигателя отстает, особенно по части экономичности. В настоящее время, когда цены на топливо быстро растут, авиационные компании предпочитают экономичные самолеты. Чтобы нашей авиапромышленности выбраться из кризиса, нужны мощные финансовые вливания! Это задача государства. Если бы России удалось продавать самолеты, то появились бы средства для перспективных исследований. Но пока продаются только военные самолеты.
Хочу добавить, что в ИТПМ смогли сохранить и развить потенциал наработок, и мы готовы к тому, чтобы направить наши знания в прикладное русло, как это было раньше в 1970-1980-е гг. И результаты не замедлят появиться.
— Юрий Семенович, есть ли методы предотвращения турбулентности?
— Одна из задач, которой мы занимаемся, — как задержать или вообще устранить переход от ламинарного течения к турбулентному. Вопрос этот многоплановый, все время возникают новые аспекты. Образно его можно представить по басне Крылова про лису и виноград: висит сочная гроздь, но достать ее — никак. При создании самолетов идет борьба за доли процента аэродинамического качества (это отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту сопротивления). Чем выше это качество, тем лучше самолет летит — увеличивается дальность полета, меньше требуется горючего, вырастает загрузка. Если бы удалось «ламинаризовать» современный самолет, то это самое качество можно увеличить на 100 %. Это очень лакомый кусок, но к нему трудно подступиться. Первые идеи возникли и были апробированы ещё в 30-е годы, а детальные лётные эксперименты проведены в 1960-е гг. Отечественные исследования того времени малоизвестны по причине засекреченности. У американцев был экспериментальный самолет, на котором они установили систему отсоса пограничного слоя, чтобы предотвратить переход к турбулентности. Именно они впервые показали, что сопротивление можно реально уменьшить на 45 %. Но эксплуатационные расходы на функционирование системы ламинаризации превысили получаемую экономию.
Среди других попыток выделяется недавний эксперимент фирмы «Airbus» по снижению сопротивления с помощью риблет — продольно наклеенных ребристых полосок. Задача стояла не столько предотвратить переход в турбулентность, сколько уменьшить интенсивность турбулентных пульсаций. Полный экономический эффект составил 1,5 %. Но это первый эксперимент не на опытной модели, а на серийном самолете. Очевидно, что этот путь возможен.
Еще я бы упомянул область авиастроения, где достигнуты серьезные результаты. Это планерный спорт и малые самолеты бизнес-класса. На этих летательных аппаратах удалось реализовать некоторые идеи ламинаризации. К примеру, качество крыла планера за последние 50 лет возросло примерно в три раза. Соответственно, современные планеры втрое дальше летают. Это достигнуто благодаря новым композитным материалам для изготовления корпуса — прочным, легким, гладким. Во-вторых, немаловажную роль играет увеличенный размах крыльев и, особенно, специальная их форма, которая позволяет за счет благоприятного градиента давления затягивать переход к турбулентности. Предпринят и ряд других мер — по снижению уровня вибраций, акустики.
Эти же наработки были использованы американцами в самолете «Voyager» несколько лет назад. Стояла задача облететь вокруг Земли без дозаправки. Прежде чем выполнить ее, предприняли несколько неудачных попыток взлета. Оказывается, насекомые разбивались о переднюю кромку крыла, возникали шероховатости, вызывающие турбулизацию пограничного слоя, и сопротивление резко возрастало. По причине экономии не было устройства, омывающего крыло в полете. В результате для успешного взлета выбрали удачное время, когда насекомые отсутствовали. Этим я хочу сказать, что эффект ламинаризации очень тонкий, и очень трудно его добиться. Но, с другой стороны, в истории авиации известны случаи, когда подобные проблемы успешно решались. К примеру, бич 1930-х гг. — обледенение самолетов. Уже давно разработано специальное устройство, которое опрыскивает ледяную корку, и она отваливается. Думаю, что аналогично можно решить вопрос поддержания чистоты поверхности крыла.
В самолетах бизнес-класса также удалось обеспечить существенное снижение сопротивления. Дело в том, что эти самолеты летают при сравнительно небольших числах Рейнольдса, и в этих режимах полета легче ламинаризовать течение, предотвратить переход к турбулентности. Значительная часть крыла и фюзеляжа обтекается в ламинарном режиме. Именно поэтому экономичность этих летательных аппаратов намного выше, чем у больших транспортных и пассажирских самолетов, на которых мы летаем. Что касается последних, то в этой области появились проекты, где пытаются хотя бы частично ламинаризовать обтекание, чтобы улучшить аэродинамику. Проблемы будут решены с помощью международного научного сотрудничества, я убежден в этом.