Кольцо Прандтля – в России

Сотрудник Института теоретической и прикладной механики СО РАН, профессор Юрий Качанов за свои исследования получил награду немецкого общества аэронавтики и астронавтики DGLR – Кольцо Людвига Прандтля. Осенью этого года на Конгрессе по аэронавтике и астронавтике впервые за полувековую историю существования награды перстень из чистого золота с горным хрусталем достался русскому ученому.

Учредитель награды Людвиг Прандтль – немецкий физик, один из основателей гидродинамики, который разработал теорию пограничного слоя. В его честь назвали «число Прандтля», а также ставшее классическим приемником воздушного давления для многих самолетов и вертолетов гидроаэрометрическое устройство «трубка Прандтля». Таким Кольцом награждено всего 50 человек в мире. Поскольку оно присуждается не за конкретное приложение или изобретение, а по совокупности достижений и вкладу в аэродинамику, его обладатели – известные немецкие, английские, французские и американские ученые в этой области, как правило, уже преклонного возраста – более 70-80 лет. Среди них – первооткрыватель так называемой вихревой дорожки Кармана Теодор Карман, инженер-авиастроитель Клод Дорнье, Эрнст Шмидт («число Шмидта»).

В списке лауреатов Кольца Людвига Прандтля – автор знаменитого учебника о теории пограничного слоя в области механики сплошных сред, переведенного практически на все языки мира, Герман Шлихтинг. Еще один лауреат, профессор Курт Магнус, получил известность благодаря описанному эффекту «сухого листа» или траектории полета крутящегося мяча, который используется в футболе и теннисе. Он первым из ученых в середине прошлого века подробно изучил и объяснил возникновение боковой силы при вращении двигающегося тела. Основываясь на эффекте Магнуса, австралийцы недавно изобрели и сделали первые опытные экземпляры вращающихся ветродвигателей, не требующих для эффективной работы сильного ветра, и таких же неприхотливых к ветру цилиндрических парусов для яхт.

При награждении Юрия Качанова его разработки представлял живой классик, обладатель Кольца Людвига Прандтля 90-летний профессор Рихард Эпплер, создатель целого семейства ламинизированных крыловых профилей для самолетов. До 75 лет он сам летал на планерах, чтобы испытать свои новоизобретенные крылья. Профессору Юрию Качанову нет еще и шестидесяти. В списке лауреатов он стал не только первым русским ученым, но и самым молодым. В отличие от многих других наград и премий, которые присуждаются тем, кто сам номинировал себя в список претендентов, решение о награждении Кольцом Прандтля принимается без участия лауреата и даже без его ведома.

– Когда получил письмо с извещением о присвоении мне награды, то сначала решил, что это какая-то шутка и спам, вроде писем счастья, – рассказывает профессор Юрий Качанов. – Сразу же написал письмо секретарю совета и убедился, что это правда. Даже профессор Вагнер, который, как я позже узнал, номинировал меня на Кольцо, узнал о положительном решении Ассоциации уже от меня. Сам профессор ни членом совета директоров, ни лауреатом Кольца не является. Он хорошо был знаком с моими работами, поэтому и выдвинул меня.

То, чем Юрий Качанов занимается всю жизнь, напрямую связано с перспективами глобальных перемен в космическом и авиастроении. Практическое применение его работ в конечном итоге должно дать возможность летательным аппаратам развивать большую скорость при меньшем нагреве поверхности и, соответственно, тратить в разы меньше горючего за счет снижения сопротивления трения, турбулентности потоков и повышения обтекаемости агрегата – ламинаризации. Для этого необходимо добиться сохранения струйного ламинарного течения (не перемешивания и завихрения потоков) в пограничном слое летательного аппарата.

Идея создания сверхзвукового самолета, который сможет передвигаться на гиперзвуковых скоростях и доставлять пассажиров с одного континента на другой за считанные минуты, занимает изобретателей с середины прошлого века. С тех пор ученые всего мира не оставляют попыток снизить шумы, вибрации и, как следствие, нагрев поверхностей агрегата за счет уменьшения турбулентности в пограничном слое. Торможение газа на поверхностном слое летящего тела настолько сильное, что благодаря этому процессу падающие к нам тела из космоса сгорают в атмосфере до соприкосновения с поверхностью Земли. И, конечно, допустить такой нагрев на поверхности летательного аппарата – это значит попросту уничтожить его.

В 50-е годы в серии летных экспериментов НАСО был создан самолет, на котором испытывались методы ламинаризации. Американцы продемонстрировали: уменьшая турбулентность, можно настолько снизить нагрев поверхности самолета, что расход топлива снижается в три раза. Соответственно, во столько же раз увеличивается дальность полетов. Однако такие великолепные результаты были достигнуты на сравнительно скромных скоростях (в пределах 100 км/ч) небольших планеров, для которых многое решала геометрия крыла и гладкое покрытие. После каждого полета поверхность планера отмывают специальными средствами, ведь даже прилипшая к крылу муха может стать источником возникновения завихрения потока. В случае же с более высокими скоростями задача выглядит гораздо серьезнее. Полностью предотвратить завихрение потоков на высоких скоростях невозможно, поэтому сверхзадачей ученые видят сегодня регулирование турбулентности. Впрочем, в 60-е годы активно пытались достичь высокой «гладкости» воздушного потока на высоких скоростях самолета Х21. Для этого оказалось достаточно поставить на его крыльях устройство, которое отсасывает пограничный слой в процессе полета. Эффективность действительно выросла сразу на 45%, однако устройство потребляло такое количество энергии, что энергозатраты на отсос значительно превысили экономию на топливе. Менее энергозатратных способов так никто и не придумал.

В чем же заключались достижения нашего ученого, если законы физики с течением истории показали, что они сильнее самых хитроумных мировых изобретений? Юрий Качанов выяснил, что турбулентностью можно управлять, не давая ей прогрессировать. Его усилиями в аэродинамике появился новый термин «детерминированная турбулентность» – словосочетание, которое до недавних пор звучало, как вымысел, как литературные фантазии. Ведь турбулентность до сих пор считалась процессом, которым не то что управлять – даже изучить его было непросто, поскольку он имеет хаотический характер течения. Группа Юрия Качанова изобрела метод, при котором турбулентность возбуждается специальным датчиком, установленным на поверхности агрегата, и имеет циклический (повторяющийся) характер завихрений потоков. А то, что повторяется, проще изучать, легче искать методы воздействия на этот процесс. Например, можно разрушать крупные вихри, рассекая их закрепленными металлическими пластинами толщиной в доли миллиметра. Метод и раньше был известен, но никто точно не знал, как именно эти рассекатели работают, где и какого размера их лучше ставить.

С появлением управляемого вихревого потока группы Юрия Качанова можно изучить многие процессы, а это значит, что уникальные разработки в космическом и авиастроении не за горами. Чтобы убедить скептиков в открытии новых перспектив, группа Качанова проведет эксперимент в рамках русско-немецко-китайского проекта на соответствующем оборудовании, которым РАН, к сожалению, не располагает. Остается верить, что будущие разработки и гениальные находки реализованы будут не «за буграми», а где-нибудь в КБ Сухого. Или, как минимум, баснословно дорого проданы.

Мария ШКОЛЬНИК

Фото автора