Как гиперзвуковые двигатели и пацифизм объединил грант аспирантки ФТФ

Надежда Скибина, аспирантка физико-технического факультета ТГУ, в рамках проекта «Аспиранты» при поддержке РФФИ проводит исследование процессов, протекающих при работе прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым течением окислителя в камере сгорания.

Такие двигатели могут использоваться в гипер­звуковых летательных аппаратах. На выбор направления повлияли взгляды молодого ученого – полученные результаты должны способствовать техническому прогрессу, развитию авиации и ракетно-космической отрасли, но главное – использоваться в мирных целях.

Мечты вместо мечтательности

Девушка с бордовыми волосами и мечтательными глазами карего цвета больше похожа на аспирантку филологического факультета, у которой в сумке всегда лежат пара книг для подготовки к семинарам по зарубежной литературе и обязательно один потрепанный томик для души. На деле же у Надежды с собой распечатки научных статей по газодинамике, образцы полимеров для экспериментов и потрепанный ежедневник с расчетами процессов, протекающих в гиперзвуковом двигателе. Надежда Скибина – молодой ученый, задача которого – при помощи собственных знаний и открытий сделать жизнь людей лучше, проще и эффективнее.

– В свое время у меня был кризис выбора профессии: я училась на баллистике и только к концу третьего курса поняла, что не хочу никакой связи с армией и вооружением. Тогда-то я и решила взглянуть на свою специализацию под другим углом, и оказалось, что баллистика куда многогранней, чем я думала. Сейчас я вижу внедрение результатов своей работы в авиацию, ракетно-космическую технику, прогресс, экономию времени людей, – говорит Надежда Скибина.

В наше время одним из перспективных направлений развития авиации и ракетно-космической техники является создание летательных аппаратов, скорость движения которых в пять и более раз превышает скорость звука. Такие летательные аппараты относятся к классу гиперзвуковых, для них нужны соответствующие двигатели. Турбореактивные двигатели, распространенные в современной авиации, в данном случае невозможно применить, а значит, есть необходимость в новых разработках, которые позволят найти эффективное решение. Например, детонационные или прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

– Недостаточно просто изобрести новый двигатель. Нужно знать, на чем он будет работать, какие параметры реализуются в самой камере сгорания. Потому что есть, например, ракетные двигатели – в них рабочие температуры порядка 2 000 °C и твердые топлива с добавлением частиц металлов. Диапазон рабочих параметров прямоточных воздушно-реактивных двигателей другой, и возникает вопрос: на каких топливах такой двигатель будет работать? Потому что условия и механизмы другие. Мы решили сконцентрироваться на применении легкоплавких полимерных композиций, – рассказывает Надежда Скибина.

Цель работы – исследование условий, при которых возможен фазовый переход для твердого легкоплавкого материала при обтекании его воздушным потоком. В результате экспериментальных исследований и численных расчетов получены диапазоны температуры и давления, которые устанавливаются в камере сгорания рассматриваемой модели прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) на момент его запуска.

Сначала расчеты…

Часто исследователи выбирают только один вид изучения: либо эксперимент, либо расчеты. Надежда же при поддержке своего научного руководителя выбрала комплексный подход. Дело в том, что сверхзвуковое течение газа в осесимметричном канале – сложный объект исследования из-за взаимного влияния многих факторов на протекающие процессы. Экспериментальное изучение такого течения затруднительно, в том числе из-за скоротечности процессов и высокой себестоимости, поэтому основным инструментом становится математическое моделирование. Однако проверка результатов численных расчетов на соответствие реальному процессу и их правильная интерпретация имеют большую ценность для теоретической и прикладной газовой динамики турбулентных внутренних течений.

– Задача исследования работы такого двигателя еще не решена, и мы пытаемся с этим справиться. Сейчас рассматриваем процесс распространения тепла в материале. Когда мы это опишем, можно будет влиять на эксперимент и смотреть за динамикой процесса в камере сгорания, – объясняет тонкости исследования Надежда Скибина.

…А потом эксперимент

Амбициозное предположение, что полимеры смогут стать новым топливом для гиперзвуковых двигателей, вылилось у Надежды в настоящее отстаивание своего научного интереса. Сама экспериментальная установка, которая была в ее распоряжении, к горению не предназначена, пришлось работать с предшествующей стадией, так как установка работает всего три секунды.

– Горение само по себе достаточно сложная вещь, люди про нее толком ничего не знают. Известно, что это химическая реакция с выделением тепла или просто выделение тепла. Сам процесс возгорания тех или иных веществ не изучен. Важно отметить, что только эксперименты и практические проверки помогут сформировать целостное представление об исследуемых процессах и скорректировать вектор дальнейшей работы. Возможно, повлиять на структуру течения посредством изменения формы камеры сгорания двигателя таким образом, чтобы это было нам на руку. На практике полимеры либо будут гореть, либо нет, и это поможет оптимизировать геометрию камеры сгорания. Меняется геометрия – меняется вся структура течения, температура, давление и так далее, – объясняет Надежда Скибина.

Полученные результаты математического моделирования представляют собой базу для проведения аэродинамических испытаний. А так как в качестве легкоплавких горючих материалов рассматриваются полимеры, результаты исследования представляют собой новые фундаментальные знания о молекулярном теплопереносе в твердых полимерных материалах при воздействии турбулентных потоков газа, ударных волн и сил трения. Значимость этих данных неоднократно отмечалась коллегами из других университетов и научных центров на отраслевых конференциях.

Уже проведены обширные численные расчеты для ряда полимерных материалов, которые могут выступать в качестве легкоплавких компонентов топлив для прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Полученные результаты проанализированы и после систематизации будут представлены в соответствующих научных изданиях.

– Научным сообществом наши исследования воспринимаются, на удивление, позитивно. Работы идут еще с 1960-х годов, а столпы газодинамики из МАИ, из ЦИАМа, из Новосибирска довольно интенсивно интересуются нашим экспериментом, к сотрудничеству тоже открыты. Работой в первый раз заинтересовались в 2019 году. Я была на съезде механиков (это глобальная конференция, которая проходит раз в пять лет), и мне дали диплом за лучший доклад в секции. Я помню: выхожу в зал, а там больше полутора тысяч человек! И было приятно, что я, девчонка из Томска, победила. Тогда, наверное, я в первый раз поняла, что моя работа нужна, и пришло осознание, что это действительно важно, – вспоминает Надежда.

Новые горизонты

– Говорят: настоящая наука – это наука ради науки. Но, занимаясь прикладной, здорово видеть и понимать, как твой результат может использоваться на практике – в реальных устройствах и механизмах. Я люблю науку и полостью разделяю фразу, которую вычитала у Стругацких: чем больше ты знаешь, тем четче ты понимаешь, что ничего не знаешь. Ты стоишь, смотришь в эту бездну и осознаешь, что всегда есть к чему стремиться, – делится Надежда Скибина.

Впереди у Надежды защита кандидатской диссертации, а после этого девушка хочет с головой погрузиться в изучение процесса горения. На данном этапе приходится ограничиваться газодинамикой, хотя коллеги по научному цеху постоянно интересуются, когда от изучения процесса плавления полимеров Надежда перейдет к исследованию их горения. Так как полимеры появились сравнительно недавно, есть целый спектр областей (среди них и горение), которые до сих пор остаются неизученными. Но пока Надежда обучается в аспирантуре, сосредоточилась на избранной теме и не делает резких движений. Нужно завершить один этап, а затем идти к следующему. Но, судя по тому запалу, пытливому уму, тяге к новому и трепетному отношению к науке, которыми обладает девушка, стоит надеяться, что имя Надежды Скибиной еще не раз с уважением будет произнесено в научном сообществе и получит заслуженное признание.

Автор: Вера Королькова