Тайны числа Маха

Юрий Липницкий: «Для нас очень важны данные натурных экспериментов». Фото предоставлено пресс-службой ЦНИИмаш

Постановлением Совета министров СССР о создании в Калининграде Московской области (ныне г. Королев) Научно-исследовательского института реактивного вооружения и Конструкторского бюро на базе завода от 13 мая 1946 года № 88 появился легендарный НИИ-88. Через год с небольшим, 15 июня 1947 года, директор предприятия Л.Р. Гонор подписал приказ, первый параграф которого гласил: «Организовать лабораторию газовой динамики, разместить ее на площадке № 2 в соответствии с представленной планировкой технологического оборудования». Этим документом было положено начало созданию и развитию крупнейшего подразделения ЦНИИмаш – Центра теплообмена и аэрогазодинамики. О деятельности центра в беседе с журналистом Николаем ДОРОЖКИНЫМ рассказывает его начальник – известный ученый в области механики жидкости, газа и плазмы, аэродинамики летательных аппаратов, доктор технических наук, профессор Юрий ЛИПНИЦКИЙ.

– Юрий Михайлович, известно, что одним из этапов отработки аэрогазодинамики и теплообмена изделий отрасли является физическое и математическое моделирование. Как это делается в вашем центре?

– С нашего центра и центра прочности пошло развитие института. Все начиналось с первых аэродинамических установок. Правительство высоко ценило их внедрение в практику НИИ-88 – сотрудники получили Сталинскую премию 1951 года и принимали участие в работах, отмеченных 12 Ленинскими, 26 Государственными премиями СССР и 16 премиями правительства РФ, награждались орденами и медалями. Со временем обновляется техника, меняются подходы к изучению процессов аэродинамики и теплообмена.

Моделирование осуществляется с воспроизведением основных критериев подобия исследуемых процессов аэродинамики и теплообмена – чисел Маха (безразмерный параметр, определяющий, превышает ли скорость течения газовой среды или движения тела в газе, скорость звука или нет. – «НГ»), Рейнольдса (безразмерный параметр, характеризующий степень турбулентности режима течения. – «НГ») и др. Моделирование процессов аэродинамики и теплообмена возможно только на маломасштабных моделях. Масштаб 1:30 или даже 1:100 для моделей ракет-носителей – это нормальный размер в нашей работе. Поэтому, чтобы сохранять моделирование не только по числу Маха, но и по критерию Рейнольдса, приходится повышать давление.

Но на малых масштабах пропадают размеры различных надстроек. Как, например, реально смоделировать число Маха М=20, то есть скорость в 20 раз выше скорости звука? В наземных условиях это невозможно. Мы можем обеспечить М=20, но не за счет высокой скорости потока, а за счет низкой скорости звука. Энергетически это совсем не то течение: при натурном М=20 в ударном слое возникают специфические химические реакции. Происходят диссоциация, ионизация, появляется и увеличивается влияние лучистых потоков, а на второй космической скорости лучистые потоки становятся просто доминирующими. Поэтому очень важную роль начинают играть численные методы и построение на их основе комплексных программ и решений.

Кроме того, все аэродинамические установки нуждаются в определении степени достоверности результатов испытаний. Если случайную погрешность еще можно как-то выбрать при массовых испытаниях, то систематическую или методическую погрешность выбрать крайне трудно. Для этого нужны испытания в разных условиях, а условий у нас не так уж много.

– Реальными аэродинамическими исследованиями конкретных ракетно-космических систем занимается только ЦНИИмаш?

– Преимущественно ЦНИИмаш. В отдельных случаях подключается и Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). Я считаю, что там, где задачу может решить ЦНИИмаш, она должна решаться внутри отрасли. А для решения прочих задач надо привлекать другие организации, и в первую очередь, конечно, самую представительную – ЦАГИ. Очень интересна Новосибирская аэродинамическая школа, но она методическая, занимающаяся не реальными объектами, а изучением течений.

Для нас очень важны данные натурных экспериментов. Их обработка помогает нам в построении расчетных моделей и определении характеристик при пересчете данных наших экспериментов на натуру и вообще в изучении новых явлений, которые могут возникнуть. Это касается вопросов и старта, и прохождения критических режимов на трансзвуковых участках полета, и спуска аппаратов различного назначения.

Мы сейчас активно используем не только свои оригинальные разработки, но и патентные программы, причем очень приветствуем появление программы, которую разрабатывает ВНИИ экспериментальной физики в Сарове. Их привлекли к написанию отечественного программного продукта для расчета вопросов авиационной, ракетной, автомобильной и нефтегазовой техники.

– Вы можете назвать изделия отрасли, которые проходили через ваш центр?

– Через нас проходили все отечественные ракеты, носители, космические аппараты, стартовые комплексы. Изучались газодинамические и аэродинамические процессы при старте. Мы анализируем эскизные проекты, готовим и согласовываем заключения по своим вопросам для главных конструкторов и государственных комиссий. 

В настоящее время не известны случаи, когда бы авария происходила по причинам, связанным с нашей тематикой.

– Какие инновации внедряются в практику работы центра?

– В наше время уже нельзя отдельно рассматривать эксперимент и численные решения. Требуется комплексный подход. Мы развиваем новые численные и экспериментальные методы, особенно в части диагностики потоков, закономерностей обтекания.

На совершенно ином уровне у нас визуализация. Появились приборы, которые за счет заселения потока микронными частицами и фотографирования позволяют восстанавливать вихревые течения, отрывные течения, особенности поведения линий тока. Появились также лазерные ножи, которые позволяют определять поперечные структуры течения.

Прогресс в измерительной технике таков, что появилась возможность измерять очень малые промежутки времени. У нас время определяется как соотношение линейного размера и скорости – L/v. Так вот, если размер модели – 1 метр, а скорость – тысячи метров в секунду, время измеряется миллисекундами. Раньше измерения в миллисекундах были невозможны. Теперь, когда есть возможность проводить на очень высоких режимах импульсные испытания с временем порядка 100 миллисекунд, мы успеваем на современных весах и датчиках провести измерения – в состоянии стационарном или квазистационарном, когда происходит очень медленное изменение параметров набегающего потока.

– Наверное, у коллектива центра солидный научный потенциал?

– У нас 12 докторов и 50 кандидатов наук. Все наши начальники отделов – крупные специалисты в своей области.

– Кстати, какие подразделения входят в состав вашего центра?

– Всего в центре 11 подразделений. Первым назову отдел, который занимается вопросами тепломассообмена, аэрофизики и нанотехнологий. Сейчас идет много заказов по спускаемым аппаратам специального назначения. На своем плазмотроне мы достигли больших успехов в производстве нанотрубок, на промышленном уровне. Со следующего года должна быть открыта новая тема – создание плазмотрона, который будет прототипом массового производства нанопродукции. Цель – получение новых металлов – легких, как алюминий, и прочных, как сталь. А самое интересное, что благодаря достигаемым температурам до 10 000 градусов и выше мы можем наносить на поверхность материала любое покрытие, что меняет каталитические свойства и теплообмен материала.

Далее – отдельная лаборатория поршневых гиперзвуковых установок. Именно там за 100 миллисекунд достигаются достаточно высокие температурные и нагрузочные режимы. На этих установках вплоть до М=10 можно получать натурные условия по всем параметрам. Нас интересуют и более высокие значения числа Маха.

В отделе теплосиловой отработки теплозащиты имеются высокоэнергетические плазмотроны, которые позволяют сообщать энергию набегающему потоку примерно до 40 мегаджоулей на килограмм. Это та энергия, которая нужна для моделирования энергетических свойств потока. Мы можем не только сравнивать материалы, какой лучше или хуже, но и определять уровень тепловых потоков и создавать модели разрушения материала.

Отдел тепловых режимов космических аппаратов и воздействий факторов космического пространства – это системы обеспечения тепловых режимов: радиаторы, тепловые трубы, источники излучения, проведение испытаний в барокамерах с охладителями.

Самый большой и сложный по составу крупных экспериментальных установок отдел аэродинамики изделий ракетно-космической техники, которым я раньше руководил. Это целый комплекс аэродинамических труб. Одна из них – крупномасштабная сверх- и гиперзвуковая труба У-306-3 – самая большая по размерам в Евразии, на ней испытываются модели длиной до 2 м. Она и сейчас работает, мы «дуем» на ней индийский заказ. Здесь же работает до- и трансзвуковая труба У-21– установка переменной плотности потока газа. Испытываем на ней модели длиной до 1,4 м и диаметром до 0,4 м.

Отдел импульсных воздействий решает ряд интересных проблем. Одна из них связана с определением точки пробоя на МКС частицами естественного или искусственного происхождения. Мы научились диагностировать координаты этой точки при пробое – по распространению акустических волн и электромагнитных импульсов. Эта работа сделана совместно с коллегами из РКК «Энергия». Воспроизведение натурных условий пробоя решается благодаря наличию легкогазовой пушки, которая обеспечивает стрельбу алюминиевыми частицами диаметром 10 мм на скоростях до 8 км/с, что моделирует условия пробоя.

Фактически скорости удара в космосе больше, до 12 км/с, поскольку происходит сложение скоростей частицы и самой станции. При таких скоростях и ускорениях алюминий уже не выдерживает, и частицы распадаются на несколько фрагментов, свойства материалов перестают доминировать, Мы добились получения для этой пушки рекордных скоростей – до 10 км/с. Теперь стреляем уже шариками из титана – он прочнее.

Отдел газодинамики старта занимается газодинамическими и акустическими проблемами при старте ракет. На моделях 1:30 мы отрабатываем все стартовые сооружения. Решаем практически все вопросы – в том числе и ударно-волновые, и связанные с акустикой.

Отдел струйной газодинамики на больших высотах решает вопросы, связанные с вакуумными струями, со взаимодействием струй при разделении ступеней ракеты, с воздействием струй на отделяемые элементы, с работой системы аварийного спасения.

Есть у нас и отдел специальных эксгаустерных (создающих разрежение) систем (СЭС). Здесь – вся энергетика, турбоэксгаустерные системы.

Цех газовоздушной энергетики – это наши компрессоры, вода для охлаждения компрессоров и СЭС.

И конечно, есть еще свое конструкторское бюро, которое проектирует все, что нужно, – устройства, установки и т.д.

– По составу и объему работ ваш центр соответствует целому институту!

– Именно так. А вместе с Центром прочности – это уже второй ЦАГИ! Правда, раньше тематикой нашего центра занималось больше сотрудников, чем сейчас. Сегодня их всего 450. Этого недостаточно для проводимых нами работ. Нам необходим некий минимум, чтобы полностью обеспечить качественное выполнение промышленных и исследовательских, а также планово-предупредительных работ.

Вообще наша цель и желание – чтобы работы нашего центра были всегда заметными в аэродинамической науке.

– И предпосылки к этому, насколько я понимаю из вашего рассказа, имеются…

– Проблем тоже хватает, и одна из них – кадровая. Возраст специалистов растет быстро, а смена подрастает слишком медленно. Это совершенно разные процессы… И пополняются наши ряды очень неохотно. По той простой причине, что необходимые навыки вырабатываются очень медленно, а вопросы с оплатой труда и жильем – сами знаете, в каком состоянии. Стал низким престиж работника ракетно-технической промышленности. Особенно в столичном регионе. На периферийных предприятиях отрасли эта проблема стоит не так остро. Там меньше соблазнов, искушений…

Несмотря на кадровый голод, мы обеспечиваем все, что от нас требуется. Конечно, трудно, потому что режимы установок высокие: температуры в несколько тысяч градусов и давление в сотни и тысячи атмосфер. Рутинных работ стало мало. Заказы даются на перспективные работы, тонкие исследования.

И здесь возникает другая проблема – модернизации установок и совершенствование средств диагностики... Агрегаты время от времени выходят из строя, приходится восстанавливать. Производство старается, как может. Есть перспективный план развития, и мы собираемся вложить значительные средства в кардинальное переоснащение базы. Надо сделать новые энергетические и измерительные системы, усовершенствовать систему управления.

Прошло более 30 лет после сдачи сооружений центра, и пора привести в порядок наши корпуса.

– А как можно решить проблему пополнения молодыми кадрами?

– У нас есть кафедры в московских вузах – например, в Московском физико-техническом институте кафедра аэродинамики и прочности, которой заведует Н.Г. Паничкин и где преподают наши специалисты по аэродинамике, теплообмену и прочности. Есть также кафедры в МГТУ им. Н.Э. Баумана, в МАТИ им. К.Э. Циолковского и Российском университете дружбы народов…

– Несколько лет назад прошла информация, что в вашем центре проводились испытания аппарата ЭКИП – знаменитой «летающей тарелки» Льва Николаевича Щукина…

– Мне этот проект хорошо знаком – ведь я в свое время был в нем главным по аэродинамике. Знал Льва Николаевича Щукина, Семена Михайловича Зельвинского.

У этого аппарата есть определенные перспективы. Его достоинства в том, что он безаэродромный. Может садиться на любую более-менее ровную поверхность. У него воздушная подушка и боковые скеги. А грузоподъемность и дальность много выше, чем у любого вертолета. Качество – более 10. Это посадочное качество любого нашего самолета. Недостатки – большая относительная высота, слишком много круговых элементов и очень сложное управление на старте. На старте управлять нечем, кроме поворота сопла. Идея интересная, она периодически возникает, но необходимо серьезное финансирование для ее проработки.