Технологии

Исследования восприимчивости, перехода и турбулентности в пограничных слоях и сдвиговых течениях

Немецкое общество аэронавтики и астронавтики имени Лилиенталя-Оберта присудило высшую академическую награду "Кольцо Людвига Прандтля" главному научному сотруднику Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН (Новосибирск), доктору физико-математических наук Юрию Качанову.

Премия была учреждена в честь немецкого ученого Л. Прандтля (1875 - 1953) - одного из отцов аэродинамики, создателя первых аэродинамических труб и автора основополагающей теории пограничного слоя. Среди обладателей Кольца (вручается с 1957 г.) - представители многих научных школ Европы и Америки. А в сентябре 2008 г. награды удостоен и российский физик Юрий Качанов "в признание заслуг в исследованиях восприимчивости, перехода и турбулентности в пограничных слоях и сдвиговых течениях". О некоторых своих работах и коллег-сибиряков в газете "Наука в Сибири" рассказал сам лауреат.

Как известно, при движении летательного аппарата его обтекает окружающий воздух. Этот поток в приповерхностной области может быть либо ламинарным (когда он перемещается слоями), либо турбулентным, т.е. сильно завихренным. Обычно конструкторы авиационной техники стремятся сохранять именно первый режим течения, поскольку тогда сопротивление трения машины во много раз меньше, чем при втором, резко снижается и нагрев обшивки, что особенно важно при полетах на больших скоростях. Над указанными проблемами специалисты трудятся уже свыше ста лет. Идет борьба за доли процента аэродинамического качества (отношения коэффициента подъемной силы к коэффициенту сопротивления), ибо чем он выше, тем лучше самолет - увеличивается дальность его полета, меньше требуется горючего, растет загрузка. Если бы удалось его современный образец "ламинаризовать", аэродинамическое качество возросло бы почти на 100%. Впрочем, достичь такого показателя очень трудно.

Первые идеи подобного рода были апробированы еще в 1930-х годах, детальные же опыты провели тремя десятилетиями позже. Так, в США построили экспериментальный самолет с системой отсоса пограничного слоя, предотвращающей, по мысли ее создателей, переход к турбулентности. Проверка этой машины показала, что сопротивление можно реально уменьшить на 45%, хотя позже выяснилось: эксплуатационные расходы на функционирование системы ламинаризации превысили получаемую экономию.

Среди других попыток выделяется недавний эксперимент фирмы "Airbus", проведенный на серийном самолете, по снижению сопротивления с помощью так называемых риблет - продольно наклеенных на корпус ребристых полосок. Задача стояла не столько в предотвращении перехода в турбулентность, сколько в уменьшении интенсивности соответствующих пульсаций. Реальный выигрыш составил около 1,5%.

Более ощутимые результаты достигнуты, по словам Качанова, при создании планеров и малых самолетов бизнес-класса. На них удалось реализовать некоторые идеи ламинаризации. Скажем, качество крыла планера как такового за последние полвека возросло примерно втрое. Соответственно увеличилась и дальность полета. Это достигнуто благодаря новым композитным материалам для изготовления корпуса - прочным, легким, гладким. Немаловажную роль сыграл и увеличенный размах крыльев, особенно их специальная форма, позволяющая за счет благоприятного градиента давления "затягивать" переход к турбулентности. Предпринят и ряд других мер, в том числе по снижению уровня вибрации, шумов.

В самолетах бизнес-класса также удалось обеспечить существенное снижение сопротивления. Дело в том, что они летают при сравнительно небольших числах Рейнольдса; в этих режимах легче предотвратить переход к турбулентности, ибо значительная часть их крыла и фюзеляжа обтекаются в ламинарном режиме. Поэтому экономичность таких аппаратов выше, чем у больших транспортных и пассажирских самолетов. Что касается последних, то в этой области появились проекты, где их авторы пытаются хотя бы частично ламинаризовать обтекание с целью улучшения аэродинамики. Проблемы эти очень сложны и решить их возможно только с помощью международного научного сотрудничества.

Свой вклад в общий поиск вносят и ученые Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича. Исследования группы, которой руководит Юрий Качанов, направлены на выяснение того, почему ламинарное течение переходит в турбулентное и при каких условиях можно задержать или предотвратить это движение. Полученные ими экспериментальные результаты в большинстве случаев превышают лучшие достижения других научных групп. Зачастую здесь решают задачи, оказавшиеся не под силу другим. Об этом свидетельствует и высокий индекс цитирования работ, а также то, что на протяжении 15 лет сибирские специалисты сотрудничают с фирмой "Боинг". Результаты расцениваются партнерами как очень надежные, они используются для апробации некоторых соответствующих методов расчетов в мире. Благодаря контрактам с зарубежными компаниями даже в трудные 1990-е годы удалось обеспечить развитие научной работы группы, возглавляемой Качановым.

И в настоящее время реализуется большое число проектов, поддержанных разными научными фондами: выполняется уже третий международный проект, поддержанный РФФИ и Немецким научно-исследовательским обществом. Подана заявка на проект европейского масштаба - это так называемая 7-я рамочная программа Европейского научного агентства. В нее включены фундаментальные исследования проблем возбуждения волн неустойчивости в пограничных слоях. Ключевая роль в проведении эксперимента отводится группе из Новосибирска, другие соисполнители будут теоретически его обсчитывать, создавать математические модели. Кстати, экспериментальные работы требуют специфического оборудования и оно у сибиряков есть: в 1960-х годах по инициативе выдающегося механика академика Владимира Струминского была построена уникальная аэродинамическая малотурбулентная труба Т-324, успешно функционирующая и поныне.

К сожалению, в последние полтора десятилетия у отечественных конструкторских бюро и предприятий авиационной промышленности нет достаточных средств для проведения перспективных научных изысканий, они редки в числе заказчиков работ, которые с высоким качеством могут провести ученые-аэродинамики из Новосибирска. Решить эту задачу, как и подъем авиапрома в целом, можно лишь при активном вмешательстве государства.


Сергей СТЕПАНОВ

https://prolom24.ru/tseny демонтаж металлолома цены.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD