Современные проблемы аэрофизики В. М. Фомин директор Института теоретической и прикладной механики СО РАН (ИТПМ СО РАН) 15 апреля 2003 г.

1.	Введение
2.	Аэродинамические установки ИТПМ
3.	Управление сопротивлением
4.	Управление сопротивлением с помощью лазера
5.	Прикладные исследования

Имеет смысл поговорить о возможном самолете будущего. Прогнозируя возможный облик самолета будущего и параметры полета, будет ясно, какие научные проблемы необходимо решать ученым-механикам, которые занимаются данной областью исследования. Интересно посмотреть на результаты оценки цены вывода полезного груза на околоземную орбиту различными, уже существующими системами (рис. 13).

	Рис. 13. Стоимостные характеристики вывода 1 кг груза на околоземную орбиту

Китайская ракета «Великий поход» 38000 долларов за килограмм. Будь любезен, заплати. Вот мой вес около 100 кг, и сколько будет стоить отправить меня в космос, вы можете сосчитать, т. е. 38 млн. долларов США, «Шаттл» — 20000 $/кг. Не так уж дешево это все. А вот, что требует ближайшее будущее. Один из проектов наш российский «МАКС», где цена вопроса уже 1500 долларов, а США—2500 долларов. Конечно, еще лучше за 100 $/кг долларов вытаскивать килограмм груза на орбиту. Я думаю, что вы дождетесь таких цен. Я уже не дождусь, т. к. пока нет и научных разработок, которые могли быть положены в основные принципы облика летательных аппаратов. Та страна, которая это сможет сделать, фактически будет управлять космосом и, как следствие, управлять Землей.

В чем проблемы, почему не так просто удается снижать цену вывода груза на орбиту. Я покажу еще одну картинку. Летательный аппарат будущего должен быть обязательно интегрирован с планером и с двигателем ГПВРД. Это не зависит от нас, это зависит от природы. Если взять разные формы летательных аппаратов, то их можно просчитать или продуть в аэродинамических трубах. Вот, что получается.

	Рис. 14. Зависимость качества летательных аппаратов от числа Маха полета

На рис. 14 показано так называемое, качество летательного аппарата, т. е. это отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту сопротивления в зависимости от числа Маха. «Конкорд« имеет качество порядка 18. Современные самолеты в районе 20-25. Ту-154, Ил-86, все имеют качество за 20 единиц. Современные истребители — 15. Летать с качеством 6-8 на самолетной конфигурации практически нельзя. Это уже будет ракета. Сами понимаете, взлететь можно, приземлиться трудно. И много не увезешь. Нам нужно, чтобы был самолет, чтобы можно было поместить людей внутрь и вернуть их обратно на землю. Для этой цели нужно или увеличить подъемную силу, т. е. увеличить C_y или уменьшить C_x. Как увеличить C_y? Очень просто — крылышки сделать побольше, но тогда и C_x увеличится. Следовательно, сейчас основная задача научиться управлять потоком вблизи тела так, чтобы увеличить качество. Если мы сумеем с нею справиться, то сможем сдвинуться с этой мертвой точки. Наши истребители летают где-то при числе Маха 3. Надо увеличить эту цифру, по крайней мере, в два раза. Можно по разному влиять на C_y и C_x. Это относится, как к дозвуковым, так и к сверхзвуковым скоростям. Я немного остановлюсь на дозвуковых скоростях, а потом перейду к сверхзвуковым задачам. Итак, снижение сопротивление летательного аппарата.

Понятно, что при дозвуковом обтекании самолета быстро происходит переход из ламинарного течения в турбулентное, т. е. режим плавного течения переходит к пульсационному. При таком переходе происходит резкое возрастание трения, а, следовательно, и C_x. В институте очень активно занимались управлением течениями на дозвуке. Например, отсос и вдув, охлаждение, акустическое воздействие на пограничный слой, то есть на течение вблизи фюзеляжа самолета.

Вы предполагаете, что если поверхность самолета будет как можно более гладкая, то будет лучше. Присутствующий здесь Анатолий Александрович Маслов говорит, что нужно делать шероховатую поверхность с масштабом шероховатостей порядка микрона, что может привести к уменьшению С_x трения. Оказывается, что если сделать такую поверхность, то затягивается переход из ламинарного течения в турбулентное. Вот казалось бы необычное—нанотехнологии, которые начинают только разрабатываться могут найти хорошее применение в задачах аэродинамики. Мы пока только начинаем в этой области работать. Но самое интересное, и для вас будет наиболее важным, это использование так называемых MEMS технологий, это дело будущего, т. е. ваше.

	Рис. 15. Активное управление переходом. Схема активного управления переходом при помощи микроэлектромеханической системы

На рис. 15 приведена обычная пластина, т. е. часть крыла летательного аппарата. Микроактиваторы должны уметь среагировать на возмущение потока, которое переводит ламинарное течение в турбулентное, затем дать указание на микродатчики вперед, чтобы они разрушили тот вихрь, который образуется. В итоге сохранится ламинарное течение. Мы тут только-только начинаем что-то делать совместно с институтом физики полупроводников СО РАН. Они делают нам такие датчики—актюаторы, а мы пытаемся использовать их для управления потоком вблизи летательного аппарата.

Перейдем теперь к сверхзвуку. Здесь, понятно, все сложнее. Есть много способов управления. Все они были предложены на заре—в конце 60-х гг., начале 70-х. Приведу один из примеров — механический способ управления потоком. При обтекании тел сверхзвуковым потоком газа в отличие от дозвукового обтекания имеет место большой вклад в сопротивление волновой составляющей, которая возникает при наличии ударных волн.

	Рис. 16. Структура течения:а) картина обтекания при наличии иглы; б) игла с выдувом инертного газа; в) игла с выдувом, который горит в потоке

На рис. 16 приведена картина плохо обтекаемого тела. Это интерферограмма. Обтекание происходит при числе Маха, равным 2. И для того, чтобы сменить обтекание с отошедшей ударной волной, мы ставим сюда иглу определенных размеров.

	Рис. 17. Combustion of hydrogen, M = 2,0. 1 — I = 2,0; 2 — I = 2,25; 3 — I = 2,5. Drag coefficients: a — total, b — forebody, с — Base pressure

Тогда вся газодинамическая структура перестраивается. Волна вместо отошедшей сильной прямой ударной волны переходит на систему скачков косых ударных волн. Вблизи тела возникают так называемые, циркуляционные зоны, и сопротивление аппарата существенно уменьшается. Тело подвешивается на весах, и изучается картина обтеканий. На рис. 17а, b показано изменение сопротивления в зависимости от расхода выдуваемого газа. Это все имеет место, прежде всего, для тел плохо обтекаемой формы. А там, где тела близки к оптимальной форме обтекания, природу обмануть уже сложно, так как исчезает механизм влияния.

Можно не только иглу выставлять, но и выдувать различный газ. Можно также выдувать тонкие жидкие струи (рис. 18).

	Рис. 18. Изменение аэродинамического сопротивления осесимметричного тела при выдуве струи жидкости

Видите, как перестраивается поток при различных режимах. Из носика этого тела выдуваются тонкие жидкие струи, и они приводят к тому, что сопротивление тела уменьшается. Вот вам пример. Цилиндр с таким усеченным конусом. Была ударная волна близкой к прямой, начинает выдуваться струя. Ударная волна становится косой все больше и больше. Сопротивление 0,37, если сделать оптимальную иглу, а в данном случае сопротивление 0,38. т. е. сопоставимо, но уже не надо иглы, а необходима только жидкость, которая будет выдувается. Было замечено, что с увеличением числа Маха этот эффект становится сильнее.

Применить к летательным аппаратам пока эти научные результаты сложно, но к телам плохой обтекаемой конфигурации типа снарядов этот метод уже активно применяется. Снаряд летит со скоростью 2,5 км/с—можно управлять его потоком. Но если форма хорошая, типа оживала, то улучшить его аэродинамику, вообще говоря, не удается. Были проведены такие эксперименты, подтверждающие этот вывод.

Я приведу еще один пример эксперимента, проведенный у нас в институте, по управлению потоком. Цилиндр обтекается потоком с числом Маха 3. Ударная волна устанавливается перед цилиндром. Если в поток запустить частички мелкого размера 50-100 микрон, то в потоке они разгоняются, соударяются о цилиндр и отскакивают. Так вот если энергии частичек хватает, чтобы выбраться за фронт ударной волны, то ударная волна разрушается и изменяется структура обтекания. На отдельной частичке видна косая ударная волна, а за ней движется зона разрежения. Частицы служат возбудителями и организуют потоки тонких струй газа против основного течения газа. Изучение физики явления приводит к созданию определенной схемы управления сопротивлением при летательном аппарате.

Можно привести еще интересные примеры по управлению сопротивлением. По рисункам вы поймете, что это делалось недавно. Интересно было бы посмотреть, как будет вести себя выдуваемый газ в виде плазмы против основного потока. У вас простой плазменный генератор, который находится внутри тела снарядной конфигурации в виде цилиндра с конусом.

Плазмотрон начинает работать и выдувает через отверстие в поток (поток идет против при обтекании тела) горячую плазменную струю. Здесь было обнаружено два режима. Выдув струи на большие и на малые расстояния. Вот эксперимент и расчеты. На переходных режимах существенно уменьшается сопротивление. Здесь мы до конца не выяснили, как влияет температура этой плазменной струи по сравнению с холодными потоками.

Это смежная область, где необходимы не только знания в газоаэродинамике, но и в плазмодинамике. Следует заметить, что сейчас в задачи газовой динамики активно внедряются физические методы, основанные на плазменных технологиях. Немаловажным является и то, что это направление работ активно поддерживается и программой фундаментальных исследований, созданной Президиумом РАН, научным руководителем которой является академик Г.Г.Черный. Допустим, вы умудритесь зажечь газовый разряд вблизи тела. Что получается? Числа Маха 2 и 3 обычная картина, тело и ударная волна перед ним. Зажигаем разряд и вот опять перестраивается картина течений и в результате сопротивление резко падает. Мы начинаем понимать эти процессы, но дальнейшее изучение всех явлений еще впереди. И выполнять их будут уже многие из вас.