ОТ МОЛОДЕЖНЫХ ПРОЕКТОВ —
К ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРЕМИИ
Государственная премия РФ 2003 года для молодых ученых за
выдающиеся достижения в области науки и техники присуждена
новосибирцам, сотрудникам Института теоретической и прикладной
механики СО РАН Михаилу Катасонову, Василию Сове и Валерию
Чернораю. Высокой оценки удостоен цикл работ «Роль продольных
структур в процессе ламинарно-турбулентного перехода в пристенных
течениях». Открыто новое научное направление, принципиально
важное для летательных и плавательных аппаратов.
Юрий Плотников, «НВС»
Сначала о том, как им повезло. Без малого десять лет, с октября
1994 по июль 2004-го существовала в природе Государственная
премия Российской Федерации для молодых ученых, высшая оценка для
молодежи, особо отличившейся на поприще науки и техники.
Со следующего года Государственная премия РФ становится наградой
заоблачной, по трудности получения сравнимой с Нобелевской.
Прежние государственные премии переводят в разряд
правительственных, числом поменее (сорок вместо пятидесяти), а
отдельная молодежная номинация отныне не предусмотрена как
таковая. Так что наша славная троица успела в последний вагон
уходящего поезда. Удача в науке значит немало. Признание,
пришедшее своевременно — мощный трамплин для дальнейшего роста.
Но хватит о фортуне. Теперь о других слагаемых успеха, имя
которым: школа, труд и талант.
 |
| Михаил Катасонов |
У истоков новосибирской школы гидродинамической неустойчивости и
турбулентности жидкостей и газов стояли академики В. Струминский
и Н. Яненко. Об этом можно прочитать в книге «Ведущие научные
школы России». Сегодня дело отцов-основателей продолжают доктора
физико-математических наук Виктор Козлов и Валерий Рудяк,
начинавшие еще в 70-х годах. А наши молодые люди стартовали в
разное время, уже в 90-е. Михаил Катасонов и Валерий Чернорай
вышли с кафедры аэрогидродинамики НГТУ, Василий Сова — выпускник
НГУ, кафедра аэрофизики и газовой динамики. Все трое отучились в
аспирантуре в лаборатории аэрофизических исследований дозвуковых
течений (зав. лабораторией — д.ф.-м н. В. Козлов) и защитились в
срок, что, по данным суровой статистики, среди нынешних механиков
удается одному из пятнадцати. Когда начались конкурсы молодежных
проектов СО РАН, были одними из главных застрельщиков — участвовали
дважды и оба раза оказались в числе победителей.
Поэтому заголовок отнюдь не случаен.
 |
| Валерий Чернорай |
Аэродинамическую трубу, на которой все сделано, построил
Струминский в 1969 году. Стоимость объекта была эквивалентна
миллиону долларов. Обладая государственным мышлением, академик
целенаправленно стремился создать аэродинамическую базу именно в
Сибири, подальше от уязвимых европейских центров, и именно в
Академии наук, вне ведомственных пределов. Годы его руководства
Институтом теоретической и прикладной механики Сибирского
отделения стали временем интенсивнейшего «трубостроительства».
Труба Т-324, проект которой Струминский один к одному перенес в
Новосибирск из города Жуковского, была построена в ИТПМ раньше,
чем в ЦАГИ. Время подтвердило прозорливость великого ученого.
Сегодня подмосковная труба-близнец, к сожалению, простаивает. У
нас — кипят идеи, ставятся эксперименты, пишутся книги и, как
результат, множится число лауреатов. В чем причина? В различии
между подходами, техническим и физическим.
— Инженерные сливки уже сняты, — констатирует профессор
В. Козлов. — В гражданской авиации, например, идет борьба за
двухпроцентное увеличение дальности полета. Заметьте, о 50% речь
уже не идет — это уже в прошлом. Поэтому сегодня для дальнейшего
продвижения в этой области нужны новые физические идеи, понимание
сути физических процессов. Именно на такую перспективу в свое
время академик В. Струминский нацелил наш институт.
 |
| Василий Сова |
Возможно, это покажется парадоксальным, но труба, предназначенная
для изучения турбулентности, должна быть бестурбулентной. Для
чего это нужно? При авиационных масштабах скоростей всеми
возмущениями атмосферы можно пренебречь: аппарат пролетает сквозь
идеально спокойную среду. На аэродинамической трубе физики решают
обратную задачу: воздушный поток налетает на неподвижную модель.
И для придания этому потоку идеальных качеств приходится идти на
ухищрения. Специализированная труба строится из дерева — этот
материал очень хорошо гасит акустические колебания. Снаружи — обычная
фанера, окрашенная в небесный нежно-голубой цвет (видимо,
кто-то в свое время вспомнил «струю светлей лазури»), внутри — фанера
авиационная, тщательно отобранная, без единого сучка, к тому же
еще и полированная. Собственно рабочая камера невелика — метр
на метр, но общий размер сооружения — если не с футбольное
поле, то пару баскетбольных площадок точно. Построили его таким
длинным, чтобы 17-кратное «поджатие», успело задавить все
возмущения в потоке к моменту его набегания на модель. Другие
аэродинамические трубы работают от компрессоров (знаменитых
ИТПМовских «бочек»), а эта — от двигателя с подводной лодки.
Кстати, так и электричества расходуется меньше. Все сделано с
умом и на совесть. В результате получается поток с минимальной
акустикой и очень малой пульсацией. Теперь, добившись практически
абсолютного спокойствия, ученые могут возмущать его дозированно и
по заказу. Требуется акустика — включают динамик, возникает
потребность в турбулентности — вставляют решетку. Идеальные
условия легко испортить. Но получить их дешево — невозможно.
Трубу подобных достоинств впервые построили в Америке в самом
начале сороковых. А уже в 1942 году обнаружили те самые волны
неустойчивости, с которых все и началось. Теорией их
существование предсказывалось, но выявить в природе долго не
удавалось. А когда удалось, открытие на всякий случай засекретили
на пять лет. В чем же заключается существо предмета?
Когда крыло самолета или, скажем, лопатка турбины начинает
пронзать окружающую среду, часть газа или жидкости прилипает,
образуя так называемый «пристенный пограничный слой». Оказалось,
что в нем развиваются очень красивые плоские (на строгом языке
науки — ламинарные) течения, по имени первооткрывателей
названные волнами Толлмина-Шлихтинга. Конечно, на Ту-154 с его
экстраординарными заклепками обнаружить их не удастся, но на
Як-40, «Боингах», любой машине с гладким крылом это явление
присутствует. Потом эти волны начинают потихоньку взбалтываться,
турбулизоваться. Есть такой классический физический опыт,
известный еще с XVII века. В прозрачную трубу, где спокойно течет
вода, запускают порцию краски. Сначала она бежит ровной струйкой,
потом начинает вилять и, в конце концов, заполняет собой весь
объем трубы. Плохо это или хорошо? В некоторых случаях, например,
в химических или биологических реакторах, предназначенных для
перемешивания всевозможных веществ, данное явление оказывается
весьма полезным. В авиации — эффект полностью отрицательный.
Энергия топлива тратится не на сам полет, а на то, чтобы
пересилить совершенно ненужные возмущения. Поэтому задача стоит
такая — как можно дольше сохранить пристенное течение
ламинарным, а не турбулентным. Если это получится, допустим, на
30 процентах хорды крыла, примерно такой же будет экономия
горючего. Но проблема эта — не инженерная, а физическая.
Необходимо в деталях разобраться в механизме
ламинарно-турбулентного перехода.
Уравнение Навье-Стокса, описывающее движение любой жидкости в
любой конфигурации, выведено давно, но решается только в
отдельных частных случаях. Для пограничного слоя оно удачно
преобразуется в так называемое уравнение Фокнера-Скена. Если с
его помощью решить задачу устойчивости , мы увидим, как выглядит
волна Толлмина-Шлихтинга. Некоторое время многим казалось, что
теоретические выкладки не вполне совпадают с экспериментальными
данными. Но в начале 90-х в ИТПМ были поставлены новые, более
точные эксперименты, и скептикам пришлось смириться. Теория все
описывает правильно: в пограничном слое на тонкой пластине волна
Толлмина-Шлихтинга обязательно возникает.
Но что же происходит с ней дальше? Вспомним, как накатывается на
берег океанская волна: на гладком песчаном пляже остается ровной
и плоской, наткнувшись на мыс, опрокидывается по бокам, образуя
два бурлящих потока. Впервые на это явление обратил внимание еще
Леонардо да Винчи, исследуя обтекание мостовых опор. Сохранились
наброски, в которых мастер скрупулезно фиксировал, как меняется
конфигурация речных струй в зависимости от размера и формы
преграды. Термоанемометра у него не было, приходилось
перебиваться подручными средствами. Кто знает, быть может,
загадочная улыбка Моны Лизы призвана отразить самоиронию гения,
лишенного элементарной приборной базы? Но оставим область
непроверенных исторических догадок и вернемся к установленным
физическим фактам.
При попадании на любую неровность поверхности ламинарное течение
преобразуется в лямбда-структуру, названную так за сходство с
соответствующей буквой греческого алфавита: «голова» и две
«ноги». Эти «ноги» и есть те самые продольные структуры, на
которых развивается турбулентность. Происходит это не сразу.
Сначала на продольных структурах возникают колебательные
возмущения, приводящие к образованию вниз по потоку так
называемого «юного турбулентного пятна», которое в дальнейшем
превратится в собственно турбулентное. Все идет по своим законам,
которые физики пытаются понять и использовать в своих целях.
Чтобы иметь эффективные аппараты, летательные и плавательные,
надо уметь этими процессами управлять.
Иногда подсказка приходит от живой природы. Традиционно
считалось, что гладкая поверхность — это хорошо, поскольку
обеспечивает минимальное трение. Однако акулья кожа вовсе не
гладкая, а шероховатая, но плавает акула быстрее торпеды. Отсюда
появилась идея сделать шероховатой стенку летательного аппарата.
Такие шероховатости назвали риблетами. Поначалу была мысль
оклеить ими все крыло и посмотреть, что будет. Оказалось, не так
все просто: надо точно знать место расположения и размер. Но уже
первые эксперименты показали, что амплитуда пульсаций на
продольных структурах от этого уменьшается, следовательно,
сопротивление трения снижается.
Дельфин, в отличие от акулы, гонит под своей податливой кожей
мышечную волну, подстраивая ее под текущий момент времени.
Поэтому теперь экспериментаторы вместо риблеты решили сделать в
крыле небольшую вставку, которая может колебаться в плоскости
поверхности. Эффект — поразительный. Зловредные продольные
структуры «усохли» сами по себе. Бегущим возмущениям, приводящим
к возникновению турбулентности, просто не на чем развиваться.
Наконец, есть уже концепция «думающей поверхности». Представьте
крыло, снабженное датчиками и актюаторами на поверхности и
процессором внутри. Некое возмущение влетает в пограничный слой
извне со скоростью нескольких метров в секунду. А электроны в
сети движутся со скоростью 300 000 километров в секунду. Пока это
возмущение летит над поверхностью, мы успеваем проанализировать,
что оно собой представляет, как развивается и чем его можно
убить. Пока все это выглядит довольно фантастично, но может стать
реальным с прогрессом вычислительных технологий.
Энтузиазм молодости, огромный труд и бездна изобретательности…
Десятки опытов, тысячи измерений… Простейшие плоские и сложные
пространственные слои, нелинейные стадии, когда волн становится
настолько много, что трудно наблюдать за отдельной, скользящие
крылья, расположенные под разным углом… Описать все это в
рамках одной газетной статьи невозможно. Цикл работ, отмеченный
Государственной премией — несколько десятков публикаций в
различных журналах, российских и зарубежных. Эксперты были
единодушны в оценках: открыто новое, принципиально важное научное
направление, передовой фронт исследований на ближайшие годы.
Отрадно, что в последние годы в Сибирском отделении
прослеживаются контуры осознанной молодежной политики. Иногда она
приводит к блестящим результатам. Но почивать на лаврах рано.
Успехи в подготовке кадров очевидны, чего не сказать об их
закреплении. Михаил Катасонов оказался в числе счастливчиков,
получивших беспроцентный кредит СО РАН на приобретение жилья.
Однокомнатную квартиру он купил. Сейчас трудится в Южной Корее,
учит корейских аспирантов и заодно зарабатывает деньги, чтобы
рассчитаться. Валерий Чернорай обретается в Швеции. Там его и
подловил фотограф, когда он что-то мудрил с координатным
устройством. Шведы, которых он систематически застает врасплох
своими сногсшибательными идеями, держатся за него двумя руками.
А вдруг как удержат? Один Василий Сова чинно и спокойно позирует
посреди родной трубы. Спокойно ли? Аспирантура закончилась, а
«постдоковская» ставка (а точнее, отсутствие под него базового
финансирования) — вещь ненадежная! А кому же еще место в науке,
если не лауреатам Государственной премии? Не уподобится ли
Академия тому суровому деду, который однажды, выведя внучка за
порог, напутствовал отрока: «Ты не крест, чтобы у меня на шее
висеть. Ступай-ка ты в люди!» Мальчишечка оказался живучим, «в
людях» не пропал и свои университеты прошел, но никакой
благодарности к деду не питал и черной краски для него не жалел.
А впоследствии даже стал «буревестником революции». Может быть,
хватит с нас революций?
Фото из архива ИТПМ
стр. 1, 7
|
