Новосибирские аэродинамические трубы
31/05/2011 01:52 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
rositsaВ продолжение этого.
Прежде чем отправиться в полёт, многие отечественные летательные аппараты, ещё будучи моделями, проходят испытания в аэрогазодинамических трубах Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН.
В программу космических исследований Институт теоретической и прикладной механики включился одним из первых в Сибири. Было это в сер. 1960-х. Основатель института – выдающийся учёный, академик Сергей Алексеевич Христианович долгое время работал в Центральном аэрогидродинамическом институте – знаменитом ЦАГИ. Среди нескольких направлений института 1 из основных стала аэродинамика больших скоростей. Для этих целей в ИТПМе усилиями не одного поколения директоров и сотрудников был создан уникальный, единственный в Академии наук, комплекс экспериментальных установок, работающих в диапазоне скоростей современной авиации, ракетно-космической техники и летательных аппаратов будущего. Это дозвуковая аэродинамическая труба, сверхзвуковая импульсная аэродинамическая труба и последнее детище института – гиперзвуковая аэродинамическая труба адиабатического сжатия.
– Большой вклад в сохранение и развитие комплекса аэродинамических установок внёс академик Василий Михайлович Фомин, который руководит институтом больше 20 лет. Благодаря его поддержке стало возможным провести реконструкцию системы резервуаров для хранения сжатого воздуха, ремонт основных агрегатов турбокомпрессорной станции, провести работы по автоматизации установок и обеспечить работоспособность всего аэродинамического комплекса, – говорит Валерий Иванович Запрягаев, заведующий лабораторией экспериментальной аэрогазодинамики ИТПМ, доктор технических наук, согласившийся провести для нас эту экскурсию.
Для чего нужны аэродинамические трубы? Для того чтобы моделировать условия полёта будущих летательных аппаратов, а также проводить проверку идей, гипотез и предположений – всё в рамках фундаментальной науки.
– Объёма ёмкости, которые вы видели на въезде в институт, хватает примерно на 10 мин работы нашей аэродинамической трубы сверхзвуковых скоростей. Это говорит о том, какие расходы воздуха необходимы для обеспечения исследований. При необходимости подаваемый воздух подогревается, здесь установлен омический подогреватель – максимальная мощность которого равна 6 мегаватт. В стенах установки имеются оптические окна и специальные «теневые приборы», с помощью которых можно визуализировать структуру течения около модели аппарата. По результатам исследований мы пишем отчёты и конструкторы принимают соответствующие решения. Ведь в создании аэрокосмических аппаратов задействовано очень много различных организаций, каждая из которых отвечает за свои вопросы функционирования летательного аппарата.
Будущие летательные аппараты, помещённые в рабочую часть установки, похожи на детские игрушки – размеры моделей не больше метра. Исследованием их аэродинамических характеристик, или ведением экспериментов, занимаются здесь не просто люди в рабочих халатах (хотя именно так это и выглядит), а доктора и кандидаты наук. В тот памятный день, когда мы пытались приблизиться к пониманию сибирской аэродинамики, эксперимент вёл доктор наук, ведущий научный сотрудник Анатолий Викторович Локотко. Отодвинув какие-то тяжёлые задвижки, он открыл для нас внутренности трубы, и мы своими глазами увидели зависшую в её чреве модель «классической конфигурации».
Из давних контактов в области ракетно-космической техники тесное сотрудничество связывает ИТПМ с ЦАГИ. В лабораториях института проводились работы по оптимизации траекторий полёта ракет и космических аппаратов, их обтекания потоком воздуха в различных условиях, эксперименты по изучению ударно-волновой структуры сверхзвуковых струйных течений. Из известных летательных аппаратов в институте исследовались модели сверхзвукового самолёта Ту-144 и элементы комплекса «Энергия-Буран». Одно из последних направлений научной работы ИТПМ – исследование проблем космического мусора. «В космос запускаются различные установки, в том числе и ядерные. Как они будут затем приземляться? По какой траектории? Это называется «исследование аэродинамических характеристик тел сложной формы», а фактически аэродинамических характеристик возможных осколков спутника после его разрушения».
Институт также участвовал в международном проекте по созданию летательного аппарата будущего – воздушно-космического самолёта (ВКС), который взлетает и садится как самолёт. Идея создания многоразового транспортного космического аппарата существует более сорока лет, цель проекта в существенном сокращении расходов и уменьшении времени подготовки к старту.
– Наш институт участвовал в подобном проекте, в частности, в исследованиях аэродинамической интерференции аэрокосмического самолета и самолёта-разгонщика, в процессе разделения. Такие проекты по созданию ВКС велись в Германии, Франции, США и Советском Союзе. С поверхности Земли стартует самолёт-носитель с орбитальным самолётом меньшей формы – это и есть возвращаемая модель: он выводит на орбиту спутники или пополняет запасы на космической станции, забирает с неё груз и возвращается на Землю. Однако некоторые вопросы проекта до сих пор не решены. Например, самолёт-носитель должен разгоняться до скорости 2000 км/с. Речь идёт о создании гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА). Однако это связано с целым рядом вопросов. К примеру, проблема теплонапряжённости: при большой скорости потока поверхность летательного аппарата нагревается до температуры более 1000 °C, и современные материалы не выдерживают таких температур длительное время. Другая тема – создание двигателя для такого летательного аппарата, что является фундаментальной научной проблемой, решением которой занимается ряд исследователей в различных странах. Одним словом, нерешённых проблем в создании ГЛА пока больше, чем решённых. Но работы продолжаются и в настоящее время.
– Валерий Иванович, есть ли у института проблема заказов на исследования в области аэрогазодинамики?
– Около 20 лет мы занимались в основном фундаментальными исследованиями. В настоящее время мы надеемся на более внимательное отношение к аэрофизическим исследованиям, к интенсификации работ в области аэродинамики высоких скоростей. 50 лет назад Россия осуществила очень важное событие – запустила в космос первого человека. За полвека на орбите побывали 524 космонавта. Всего 3 страны имеют возможность осуществлять пилотируемые запуски – Россия, США и спустя 42 года после полёта Гагарина – Китай. Я был в Пекине в 2005 и наблюдал, как многие люди праздновали второй полёт тайкунавтов. Россияне тоже должны понимать, что полвека назад в нашей стране были сделаны огромные вложения в науку и ракетно-космическую технику, которые нельзя терять, нужно продолжать исследования в этом приоритетном направлении.
– Наша страна сейчас значительно меньше вкладывает в космические программы, чем в эру Гагарина?
– Я назову цифры, которые наглядно демонстрируют масштабы вложений в аэрокосмическую отрасль. Скажем, мы продаём нефть, это стоит недёшево, но даже при нынешних ценах – примерно 50 центов за 1 кг. Если мы соберём автомобиль, например «фольксваген», это уже будет уже 20 $ за 1 кг продукции, а если мы сделаем самолёт, то стоимость такой продукции будет уже около 1000 $ за 1 кг. А теперь ещё 1 цифра: годовой оборот аэрокосмического комплекса США в 2004 оценивался в размере около 200 млрд. $ в год.
– Выгодно ли России развивать космическое направление?
– Конечно. Это связь, телекоммуникации, услуги по мониторингу земной поверхности, картографирование, система определения положения на поверхности Земли – система ГЛОНАС, создание новых материалов и технологий. На самом деле, очень небольшое количество стран могут делать самолёты, а уж ракеты – единицы. Когда я в н. 2000-х участвовал в конференции Европейского космического агентства, они с большой гордостью показывали так называемый трансорбитальный беспилотный полёт. Притом, что наш «Буран» совершил свой триумфальный беспилотный полёт ещё в 1988! Нужно заниматься образованием и воспитанием подрастающего поколения, чтобы они могли со временем участвовать в создании самой современной техники.
– Чтобы они элементарно захотели этим заниматься...
– Я с большим сожалением узнаю, что в современных школьных программах значительно сократилось количество уроков физики, математики. Сам по образованию физик, хочу сказать, что физика развивает способность правильно воспринимать и описывать мир. Сегодня и руководство страны понимает, что нужно заниматься воспитанием будущих технических навыков у школьников: развивать КЮТы, прикладное техническое творчество и кружки, сделать их доступными для детей. Наконец, больше рассказывать о работе учёных и инженеров, поддерживать уважение к ним и интерес к науке и технике.
Прежде чем отправиться в полёт, многие отечественные летательные аппараты, ещё будучи моделями, проходят испытания в аэрогазодинамических трубах Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН.
Оцените масштабы
На подъезде к ИТПМу, что находится на улице Институтской, 4/1, серия огромных ёмкостей в 2 этажа, в них хранится сжатый воздух, который производит турбокомпрессорная станция института (на фото вверху). Воздух используется для работы аэродинамических труб и других газодинамических установок самого ИТПМа, а также другими институтами Сибирского отделения.В программу космических исследований Институт теоретической и прикладной механики включился одним из первых в Сибири. Было это в сер. 1960-х. Основатель института – выдающийся учёный, академик Сергей Алексеевич Христианович долгое время работал в Центральном аэрогидродинамическом институте – знаменитом ЦАГИ. Среди нескольких направлений института 1 из основных стала аэродинамика больших скоростей. Для этих целей в ИТПМе усилиями не одного поколения директоров и сотрудников был создан уникальный, единственный в Академии наук, комплекс экспериментальных установок, работающих в диапазоне скоростей современной авиации, ракетно-космической техники и летательных аппаратов будущего. Это дозвуковая аэродинамическая труба, сверхзвуковая импульсная аэродинамическая труба и последнее детище института – гиперзвуковая аэродинамическая труба адиабатического сжатия.
– Большой вклад в сохранение и развитие комплекса аэродинамических установок внёс академик Василий Михайлович Фомин, который руководит институтом больше 20 лет. Благодаря его поддержке стало возможным провести реконструкцию системы резервуаров для хранения сжатого воздуха, ремонт основных агрегатов турбокомпрессорной станции, провести работы по автоматизации установок и обеспечить работоспособность всего аэродинамического комплекса, – говорит Валерий Иванович Запрягаев, заведующий лабораторией экспериментальной аэрогазодинамики ИТПМ, доктор технических наук, согласившийся провести для нас эту экскурсию.
Для чего нужны аэродинамические трубы? Для того чтобы моделировать условия полёта будущих летательных аппаратов, а также проводить проверку идей, гипотез и предположений – всё в рамках фундаментальной науки.
Продуть модель
Сверхзвуковая труба – внушительное сооружение, больше похожее на застывший паровоз, чем на собственно трубу. Сжатый воздух подаётся в форкамеру, затем в сопло Лаваля (сначала сужающийся, а затем расширяющийся канал) и далее в рабочую часть, где размещена модель летательного аппарата. Таким образом она омывается потоком воздуха со скоростью, превышающей скорость звука в несколько раз.– Объёма ёмкости, которые вы видели на въезде в институт, хватает примерно на 10 мин работы нашей аэродинамической трубы сверхзвуковых скоростей. Это говорит о том, какие расходы воздуха необходимы для обеспечения исследований. При необходимости подаваемый воздух подогревается, здесь установлен омический подогреватель – максимальная мощность которого равна 6 мегаватт. В стенах установки имеются оптические окна и специальные «теневые приборы», с помощью которых можно визуализировать структуру течения около модели аппарата. По результатам исследований мы пишем отчёты и конструкторы принимают соответствующие решения. Ведь в создании аэрокосмических аппаратов задействовано очень много различных организаций, каждая из которых отвечает за свои вопросы функционирования летательного аппарата.
Будущие летательные аппараты, помещённые в рабочую часть установки, похожи на детские игрушки – размеры моделей не больше метра. Исследованием их аэродинамических характеристик, или ведением экспериментов, занимаются здесь не просто люди в рабочих халатах (хотя именно так это и выглядит), а доктора и кандидаты наук. В тот памятный день, когда мы пытались приблизиться к пониманию сибирской аэродинамики, эксперимент вёл доктор наук, ведущий научный сотрудник Анатолий Викторович Локотко. Отодвинув какие-то тяжёлые задвижки, он открыл для нас внутренности трубы, и мы своими глазами увидели зависшую в её чреве модель «классической конфигурации».
От «Энергии» до мусора
Из давних контактов в области ракетно-космической техники тесное сотрудничество связывает ИТПМ с ЦАГИ. В лабораториях института проводились работы по оптимизации траекторий полёта ракет и космических аппаратов, их обтекания потоком воздуха в различных условиях, эксперименты по изучению ударно-волновой структуры сверхзвуковых струйных течений. Из известных летательных аппаратов в институте исследовались модели сверхзвукового самолёта Ту-144 и элементы комплекса «Энергия-Буран». Одно из последних направлений научной работы ИТПМ – исследование проблем космического мусора. «В космос запускаются различные установки, в том числе и ядерные. Как они будут затем приземляться? По какой траектории? Это называется «исследование аэродинамических характеристик тел сложной формы», а фактически аэродинамических характеристик возможных осколков спутника после его разрушения».Институт также участвовал в международном проекте по созданию летательного аппарата будущего – воздушно-космического самолёта (ВКС), который взлетает и садится как самолёт. Идея создания многоразового транспортного космического аппарата существует более сорока лет, цель проекта в существенном сокращении расходов и уменьшении времени подготовки к старту.
– Наш институт участвовал в подобном проекте, в частности, в исследованиях аэродинамической интерференции аэрокосмического самолета и самолёта-разгонщика, в процессе разделения. Такие проекты по созданию ВКС велись в Германии, Франции, США и Советском Союзе. С поверхности Земли стартует самолёт-носитель с орбитальным самолётом меньшей формы – это и есть возвращаемая модель: он выводит на орбиту спутники или пополняет запасы на космической станции, забирает с неё груз и возвращается на Землю. Однако некоторые вопросы проекта до сих пор не решены. Например, самолёт-носитель должен разгоняться до скорости 2000 км/с. Речь идёт о создании гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА). Однако это связано с целым рядом вопросов. К примеру, проблема теплонапряжённости: при большой скорости потока поверхность летательного аппарата нагревается до температуры более 1000 °C, и современные материалы не выдерживают таких температур длительное время. Другая тема – создание двигателя для такого летательного аппарата, что является фундаментальной научной проблемой, решением которой занимается ряд исследователей в различных странах. Одним словом, нерешённых проблем в создании ГЛА пока больше, чем решённых. Но работы продолжаются и в настоящее время.
В режиме интервью
В соседнем отделе огромного зала включают установку. «Соседи дуют», – кричит мне в ухо Валерий Иванович, и мы уходим в щитовую. Здесь среди оборудования к. 1970-х особенно выделяется новая мультикомпьютерная система автоматизированного сбора экспериментальных данных, которая позволяет контролировать параметры работы установки и регистрировать результаты: собирает, обрабатывает и сохраняет необходимые данные. Когда-то в лаборатории трудилось около 60 человек (сегодня около 30). Отдельные бригады занимались расчётами результатов эксперимента, построением графиков, обслуживанием и наладкой установки. Тогда и аэродинамическая труба работала с гораздо большей нагрузкой.– Валерий Иванович, есть ли у института проблема заказов на исследования в области аэрогазодинамики?
– Около 20 лет мы занимались в основном фундаментальными исследованиями. В настоящее время мы надеемся на более внимательное отношение к аэрофизическим исследованиям, к интенсификации работ в области аэродинамики высоких скоростей. 50 лет назад Россия осуществила очень важное событие – запустила в космос первого человека. За полвека на орбите побывали 524 космонавта. Всего 3 страны имеют возможность осуществлять пилотируемые запуски – Россия, США и спустя 42 года после полёта Гагарина – Китай. Я был в Пекине в 2005 и наблюдал, как многие люди праздновали второй полёт тайкунавтов. Россияне тоже должны понимать, что полвека назад в нашей стране были сделаны огромные вложения в науку и ракетно-космическую технику, которые нельзя терять, нужно продолжать исследования в этом приоритетном направлении.
– Наша страна сейчас значительно меньше вкладывает в космические программы, чем в эру Гагарина?
– Я назову цифры, которые наглядно демонстрируют масштабы вложений в аэрокосмическую отрасль. Скажем, мы продаём нефть, это стоит недёшево, но даже при нынешних ценах – примерно 50 центов за 1 кг. Если мы соберём автомобиль, например «фольксваген», это уже будет уже 20 $ за 1 кг продукции, а если мы сделаем самолёт, то стоимость такой продукции будет уже около 1000 $ за 1 кг. А теперь ещё 1 цифра: годовой оборот аэрокосмического комплекса США в 2004 оценивался в размере около 200 млрд. $ в год.
– Выгодно ли России развивать космическое направление?
– Конечно. Это связь, телекоммуникации, услуги по мониторингу земной поверхности, картографирование, система определения положения на поверхности Земли – система ГЛОНАС, создание новых материалов и технологий. На самом деле, очень небольшое количество стран могут делать самолёты, а уж ракеты – единицы. Когда я в н. 2000-х участвовал в конференции Европейского космического агентства, они с большой гордостью показывали так называемый трансорбитальный беспилотный полёт. Притом, что наш «Буран» совершил свой триумфальный беспилотный полёт ещё в 1988! Нужно заниматься образованием и воспитанием подрастающего поколения, чтобы они могли со временем участвовать в создании самой современной техники.
– Чтобы они элементарно захотели этим заниматься...
– Я с большим сожалением узнаю, что в современных школьных программах значительно сократилось количество уроков физики, математики. Сам по образованию физик, хочу сказать, что физика развивает способность правильно воспринимать и описывать мир. Сегодня и руководство страны понимает, что нужно заниматься воспитанием будущих технических навыков у школьников: развивать КЮТы, прикладное техническое творчество и кружки, сделать их доступными для детей. Наконец, больше рассказывать о работе учёных и инженеров, поддерживать уважение к ним и интерес к науке и технике.
