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

Также мы используем электрический разряд для управления протеканием различных химических реакций. Представьте себе, как получают из природного газа ацетилен или этилен. Процесс выглядит так: нагревают природный газ до 1800-2000 градусов держат 10^–3 с, а потом резко охлаждают. Как химики это делают: берут трубу, наматывают спираль и греют, но надо нагревать во всем объеме. Если вы в одном месте перегреете, то у вас будет образовываться сажа. Оказывается, с помощью электрического разряда можно нагреть объемно, управляя этими потоками, разогнать газ. Потом через ударную волну нагреть до нужной температуры, продержать сколько вам надо и резко охладить через сопло. Вы получаете способ управления процессом, и выход ацетилена и этилена составит 50-70 %, а существующие установки позволяют получить около 5-6 %. Это новое направление в институте, которое позволит создать принципиально новые технологические процессы.

Приведу еще один пример. Это эксперимент, который был впервые в мире сделан в нашем институте.

	Рис. 19. управление сверхзвуковым течением около аксиальносимметричных тел.  Схема экспериментальной установки: 1 — фокусирующие линзы, 2 — plenum chamber, 3 — сопло, 4 — модель (тело), 5 — диффузор, 6 — аэродинамические весы, 7 — рабочая камера, 8 — exhaust chamber

На рис. 19 представлена малая аэродинамическая труба, обтекаемое тело находится внутри. Число Маха течения равно 2. Перед носом этого тела фокусируется излучение от CO₂ лазера. Вот, что получается (см. рис. 20).

	Рис. 20. Shlieren picture

Здесь возникает тепловая метка, которая перестраивает все течение перед телом, и сопротивление падает почти в два раза перед конусом, то же самое—перед шаром (см. рис. 21).

	Рис. 21. Изменение аэродинамического сопротивления осесимметричного тела при воздействии лазерного излучения

Была изучена вся картина обтекания: от чего зависит, почему происходит перестройка течения и сколько надо вложить мощности CO₂ лазера. Лазерная тепловая метка начинает расходиться. Дальше начинает расходиться. В результате взаимодействия тепловой метки с потоком сопротивление уменьшается за счет перестройки волновой картины перед телом.

Если подытожить все сказанное выше, то возникает возможность создания перспективной воздушно-космической системы. Схема такого аппарата представлена на рис. 22.

	Рис. 22. Перспективная схема ВКС

Аппарат интегрирован вместе с двигателем. Конечно, такого аппарата еще нет. Еще необходимо провести целый ряд научных исследований прежде, чем инженеры начнут эту идею прорабатывать и воплощать в жизнь.

В этом аппарате будущего заложены три физические идеи: Первая. У вас есть обшивка и есть топливо, но обшивку надо охлаждать, потому что самолет летит с большими скоростями и будет греться. Так вот одна из возможностей заключается в том, чтобы топливо пустить в качестве охладителя. Это еще не все, потому что это уже на ракетных системах используют. Но жидкое топливо пустили как охладитель, но оно начинает испаряться и в результате того, что теперь оно находится в газообразном состоянии, сгорая в камере коэффициент полезного действия возрастет в 1,5-2 раза. Если вы сжигаете керосин, это один вариант, а если вы испарите его и сделаете газом, то КПД будет выше. Научные проработки по процессам конверсии топлива уже существуют, следовательно, инженеры-конструкторы могут эту идею уже закладывать в проект. Вторая идея: нельзя ли вблизи аппарата провести ионизацию воздуха электрическим разрядом или лазером — в результате уменьшится сопротивление. Это позволит увеличить и качество аппарата. Как это делать, уже рассматривалось выше. А третья идея заключается в использовании МГД генератора. Ситуация следующая: вы засылаете в камеру сгорания поток воздуха, добавляете горючее, но аппарат летит на скорости 5-6 км/с, температура высокая, топливо, которое используется при таких скоростях, уже мало, что способно добавить по энергии, поэтому часть энергии необходимо снять. Для этой цели можно поставить МГД генератор, который снимет часть энергии, а потом вернуть ее уже для разгона газа в сверхзвуковом сопле.

Вот эти три идеи используются при рассмотрении перспективных аэрокосмических систем. Конечно, это все будущее. Теперь вы видите, что в аэродинамику вкрапливается все: лазерные системы, плазма и конечно химия, которую необходимо учитывать. Конечно, мы не можем сделать такой аппарат, поставить в трубу и посмотреть, но по частям уже кое-что делается. Мы пытаемся проводить ионизацию воздуха с помощью электронного пучка, потом смотрим, что происходит с этим потоком, как он управляется. Для газодинамики это необычные вещи, но теперь это уже практическая физика. Вот такой воздушно-космический аппарат будущего мог бы быть. Идея такого аппарата была предложена в России под названием проект «Аякс».

Теперь я хотел бы поговорить об одном новом направлении в институте, а именно использование некоторых оптических методов в медицине. А. М. Оришич занялся определением очень интересного вопроса: когда ткань живая, а когда ткань мертвая. Зачем это надо? Это делается совместно с клиникой им. Е. Н. Мешалкина. Человеку нужно вшивать иногда клапаны. Клапаны сердца раньше были искусственные, а теперь делают просто — свинья ближе всех к человеку. Свинью выращивают, берут у нее клапан и пришивают человеку. Он нормально работает. Но пока из свиньи извлекают клапан, пока пришивают его человеку, уже непонятно, что пришивают: живую или мертвую ткань. Способ определения мертвой ткани есть, но он очень длительный по времени. Оказывается, есть быстрый способ определения с помощью лазерного излучения. Можно подобрать такую частоту лазерного импульса, что при отражении от ткани мы увидим, где ткань живая, а где мертвая. На рис. 23 мы видим спектры ЛИФ тканей.

	Рис. 23. Спектры ЛИФ здоровых и пораженных кальцинозом тканей

Вот если ткань живая, то совершенно по-другому происходит отражение лазерного луча. Здоровая и больная ткани отличаются, и вы можете определить, где надо отрезать мертвую ткань. Есть еще целый ряд технологий, когда результаты аэрофизики применяются для медицины, но об этом будем говорить отдельно.