Природа жидкости и газа, или газовая динамика на службе авиации

Профессор Крашенинников – участник работ по авиадвигателям прославленных конструкторских бюро в области форсуночных устройств и сопел, экспериментальных и расчетно-теоретических работ по исследованию турбулентных струйных течений, эффектов их взаимодействия с поверхностью, дозвуковых отрывных течений в каналах, акустики турбулентных струй, автор ряда разработок в области математического и «физического» моделирования турбулентных струй.

Сергей Юрьевич – живое олицетворение науки. Так считают сотрудники отделения. Его глубокая погруженность в научные проблемы, наметанный глаз и способность принимать решения исходя из научной актуальности, его педагогический талант, стремление поддерживать и развивать профессиональные интересы молодых специалистов вызывают восхищение.

17 сентября 2019 года Сергей Юрьевич, посвятивший работе в отделении газовой динамики и теплофизики Института около 60 лет, отмечает юбилей. Мы не могли не воспользоваться возможностью пообщаться с ученым – человеком, отличающимся позитивной энергетикой, чувством юмора в сочетании с самоиронией и способностью зрить в корень, – в день его рождения.

– Сергей Юрьевич, профессиональный выбор зачастую определяется еще со школьной скамьи. А как это было у Вас?

– Я тоже считаю, что человек определяется с профессией еще на уровне школы. Поэтому, когда говорят, что есть разница между выпускниками МГТУ им. Н.Э. Баумана, Физтеха, Московского университета, то она связана в большей степени с контингентом поступающих.

– Сложно ли было поступить в Московский физико-технический институт (МФТИ)? Какой был конкурс? Что Вам запомнилось на вступительных экзаменах?

– Я поступал на физический факультет МФТИ, но не прошел по конкурсу и был зачислен на аэромеханический факультет, где конкурс был меньше. В среднем в Институте конкурс был 5 человек на место.
Мне запомнились экзамены по физике и математике. По математике меня экзаменовал доцент Алексей Алексеевич Дезин (специалист в области дифференциальных уравнений с частными производными, функционального анализа, математической физики – прим. ред.). Я получил оценку «отлично». Видимо, ему понравились мои математические рассуждения, в чем я позднее убедился, и впоследствии мы с ним всегда находили общий язык, благодаря похожему мышлению. Отмечу, что мое математическое мышление не находило поддержки у других преподавателей Физтеха.

– Кто привил Вам любовь к физике? Помните ли Вы своего первого учителя?

– Это был Георгий Данилович Малюжинец, профессор, друг моего отца. Они были приятелями, дружили с юности. Георгий Данилович был заведующим лабораторией в Акустическом институте. Мы с ним часто беседовали на уровне старших классов средней школы – я был тогда в 7-м классе.

– Кого еще Вы считаете своими учителями?

– Это Генрих Наумович Абрамович, руководитель группы внутри подразделения газовой динамики ЦИАМ (известный ученый в области теории турбулентных струй и прикладной газовой динамики, доктор технических наук, профессор – прим. ред.). Тогда в Институте была другая организационная структура: отделения делились на более мелкие подразделения, а те – на группы.
Я бы так сказал: все, с кем я взаимодействовал при организации экспериментов, кто владел техникой измерения, – а приборы тогда были самодельными, – с кем я регулярно общался и даже спорил. Это О.В. Яковлевский, А.Н. Секундов, И.П. Смирнова и многие другие.

– И часто приходилось вступать в спор?

– То и дело спорили на какую-либо тему. Чисто информационных разговоров не было. Только благодаря спорам удавалось найти истину.

– После окончания вуза Вы пришли на работу в ЦИАМ. Были ли какие-то заметные обстоятельства, способствовавшие этому?

– Никаких, кроме случайных факторов. Я поступил в 734-ю группу, участь которой была определена с момента присвоения номера. Впоследствии учащиеся этой группы должны были поступить на работу в ЦИАМ.

– А почему: «должны были»?

– МФТИ отличался от других вузов особенностью в системе образования. Уникальным было то, что, начиная с третьего курса студенты приобщались к научно-исследовательской деятельности, которая велась в профильных институтах. В ЦИАМ была кафедра МФТИ, которая «постулировалась» как структурный элемент вуза. Нас курировал Александр Александрович Лакштовский – профессор, заведующий кафедрой общего машиностроения МФТИ. Он «заправлял» нами и опекал нас. Мы слушали лекции, были прикреплены к ведущим сотрудникам и выполняли задания.
Одним из моих первых заданий было построение четырех графиков зависимости напряженности электромагнитного поля от координат для различной ориентации источников в соответствии с формулами, которые вывел молодой ученый Александр Бенцианович Ватажин (позднее – видный специалист в области физической газовой динамики, электрогазодинамики и магнитной газовой динамики, д.ф.-м.н., проф., – прим. ред.). Я понял, что графики можно построить путем переворота или отражения с переворота на световом столе, и легко построил их. Помню, что Александр Бенцианович тогда меня похвалил за высокую точность (смеется).

– Вы сразу попали в отделение газовой динамики?

– Не совсем. На третьем курсе меня прикрепили к четвертой лаборатории газовой динамики. Но моя дальнейшая работа, начиная с четвертого курса, проходила в отделе камер сгорания. Руководил группой Борис Александрович Жестков. Темой моей дипломной работы было струйное охлаждение в камерах сгорания. После защиты диплома в 1963-м году я стал работать в отделении газовой динамики.

– Какие работы проводились тогда в отделении?

– В группе под руководством Г.Н. Абрамовича проводились новаторские работы. Тогда в стране только начинали исследовать турбулентные струйные течения, на тот момент было мало работ по этой тематике.
У нас был большой экспериментальный стенд, хорошо оснащенный измерительной техникой – например, термоанимометром для определения характеристик турбулентности. Вообще в распоряжении подразделения было более пяти аэродинамических труб и практически столько же электроустановок.
Все наше подразделение было на ударном направлении. Проводили основательные исследования сверхзвуковых течений применительно к объектам – воздухозаборным устройствам и соплам. Это были исследования самого высокого уровня. На работу вдохновляла и интеллектуальная аура Горимира Чёрного (выдающийся ученый в области гидромеханики и газовой динамики, основатель лаборатории газовой динамики в ЦИАМ, д.т.н, проф., академик РАН – прим. ред.). В отделении была создана обстановка, когда нельзя было «схалтурить» – необходимо было добывать и получать серьезные, авангардные результаты, чтобы соответствовать той научной атмосфере, в которой посчастливилось работать.

– Ваши самые яркие воспоминания о работе в тот период?

– Самые яркие впечатления, пожалуй, – два значимых научных семинара, которые тогда проводились. Один – всесоюзный, под руководством Г.Н. Абрамовича (я был ученым секретарем семинара на протяжении 10 лет), другой – «камерный», под руководством Г.Г. Чёрного. Оба семинара были очень популярны, поскольку вопросы газодинамики и исследования турбулентных течений находились в стадии активного развития. Обсуждались теоретические изыскания и результаты физических экспериментов. Поскольку проводимые в ЦИАМ исследования носили, в основном, прикладной характер, под полученные результаты необходимо было подвести серьезную научную базу, и это служило предметом для обсуждения на семинарах.

– Газовая динамика – наука на стыке таких областей знания, как физика, математика, химия, аэродинамика…

– Действительно, эта наука включает и непосредственно исследование различных газодинамических сложностей, и «струй», и ионных двигателей, и электромагнитогазодинамику, и аэродинамику. Внутри аэродинамики – акустика, она тоже связана со «струями». Например, в 1960-е годы шум реактивных двигателей определялся реактивными струями. Было даже отдельное направление: шум струй.

– В чем заключается тематика работ подразделения?

– Пояснить это можно на каком-нибудь примере. Рассмотрим скачок уплотнения в конфигурации. Если это химически реагирующая среда, то возникает соединение газовой динамики с химической кинетикой и физическими процессами, которые при этом происходят. Воспламенение – это процессы, связанные с тепловыделением. Горение – это физические процессы в соединении с химическими. Сюда можно добавить электрофизические эффекты – все это будет в рамках тематики нашего подразделения.

– Вы участник работ по авиационным двигателям ОКБ С.П. Изотова, А.М. Люльки, Н.Д. Кузнецова, П.А. Соловьева. А какой двигатель Вам роднее всего?

– По сравнению с коллегами, тесно работавшими с конструкторскими бюро (КБ), мой вклад в разработку двигателей незначителен. Двигатель – это реализованный объект. Решаемые сотрудниками нашего отделения задачи носят более общий характер. С удовольствием отмечу, что задачи эти тем не менее живо интересовали работников КБ – даже в чисто абстрактном виде. Мне приходилось общаться и с Николаем Дмитриевичем Кузнецовым, и с Павлом Александровичем Соловьевым, участвовать в обсуждении рабочих вопросов. Они благоволили работе нашего отделения: «вы занимаетесь тем, что сейчас мы не можем использовать, но это важное направление – продолжайте». И давали соответствующие инструкции своим сотрудникам, которые продолжали работать с нами.

– А почему результаты исследований не могли быть использованы сразу?

– Есть трудности в осмыслении и интерпретации результатов научных исследований, в понимании того, для чего они нужны. Возьмем начальное развитие аэродинамики. Сложные течения, пограничный слой, скачки уплотнения. Знать, что собой представляет скачок уплотнения, конструктор должен. Первоначальные знания о главном элементе процесса и составляют научные результаты. Эти явления, всегда имеющие место в двигателе, не могут быть исследованы непосредственно. Чтобы исследовать турбулентные струйные и другие течения, мы создаем упрощенные физические и математические модели.

– Как эти модели позволяют улучшить эффективность узлов авиадвигателя?

– Появилось математическое моделирование сложных аэродинамических процессов. Оно позволяет иметь полное представление о происходящих в элементах двигателя процессах. Однако каналы, в которых движется воздух, имеют очень сложную форму. Возникают уступы, резкие повороты потока – это ухудшает свойства работы рабочего тела. Как улучшить эти свойства? Для этого и создаются модели.
Разумеется, исследовать все каналы невозможно. Насколько хороша математическая модель? Это определяет валидация: необходимо доказать на уже известных моделях, что расчет совпадает с экспериментом. А затем – что можно использовать эту модель для другого эксперимента. Само построение математической модели – сложная физическая задача.

– Как эти сложности решаются на практике?

– Например, разработана математическая модель «Течение в сложном канале». В сложном канале течет жидкость или газ, это может сопровождаться турбулетностью, отрывом потока, появлением нестационарности. Готовых математических моделей, которые бы улучшили эти явления, не существует – их надо создавать, с учетом предыдущего опыта моделирования.
Можно взять канал, нарисовать его, заложить его форму в вычислительную машину и посмотреть, что с ним происходит. Но остается необходимость в физических моделях. Это и достижение, и главный стимулятор научно-исследовательской работы, которая невозможна без творческого осмысления всех процессов. Результаты математических моделей позволяют нам лучше разбираться в особо сложных явлениях, таких как: генерация шума, проблемы горения, газодинамической устойчивости и др.
Эксплицитная форма для аэродинамических процессов – уравнения Навье-Стокса. Но если для обыкновенных уравнений есть решения, то для этих уравнений их нельзя написать – возникает необходимость в физических моделях, позволяющих получить какие-то решения. Многие решения, существующие в аэродинамике, выведены путем упрощения уравнений Навье-Стокса. Мы должны упрощать их в соответствии с некими физическими представлениями (пограничный слой, турбулентные струи). И в решении этих уравнений на современной вычислительной технике тоже возникают трудности. Необходимо представлять сложные явления в упрощенной форме, чтобы моделировать на вычислительной машине, которая так же не способна решать уравнения Навье-Стокса в первозданном виде.

– За годы Вашей работы в Институте наверняка изменились методы и технологии исследований. Насколько сильно?

– Да, они изменились очень значительно. Все движется вперед. Этому способствуют три фактора. Первый – накопление знаний. Сегодня исследователи легко представляют себе, что происходит в большинстве аэродинамических процессов.
Второй – повышение уровня измерительной техники. В исследовании физических и химических процессов в компрессорах, воздухозаборниках, соплах помогает современная быстродействующая регистрирующая аппаратура с выводом данных на электронные носители. Раньше регистрацией данных занимались техники и передавали показания инженерам для преобразования этих показателей в графики.
Третий – развитие вычислительной техники. Оно облегчает решение всех вопросов: регистрацию и обработку данных, построение графиков, решение дифференцированных уравнений. Но главное, что дает современная вычислительная техника, – это удобство.

– Какие задачи сегодня решают газовые динамики Института? Какова роль их работы в авиадвигателестроении?

– У отделения высокий уровень культуры математического моделирования и физических исследований. Благодаря этому подразделение – самое продвинутое в области численных расчетов различных элементов авиационных двигателей, силовых установок.
Важны наши исследования, связанные с традиционной тематикой – воздухозаборниками и соплами. Если взглянуть на самолет, то увидишь только воздухозаборник и сопла. И здесь наша работа небесполезна. Хотя ответственным за эту область является ФГУП «ЦАГИ», но двигатель находится между воздухозаборным устройством и соплом, и важно знать, что происходит на входе и выходе. Тем более что сегодня меняется облик силовых установок, прогнозируются силовые установки будущего. Конечно, необходимо самим иметь представление, как они будут выглядеть, а не только довольствоваться результатами чужих исследований.
Наша работа представляет собой целую цепочку исследований и процессов. Например, нельзя рассматривать воздухозаборные устройства и сопла в отрыве от расположения силовой установки на летательном аппарате. Кроме того, важно обеспечить функционирование всех звеньев цепи. Камера сгорания двигателя должна обеспечивать температуру на уровне 2000°С, турбина – «терпеть» ее, двигатель – работать. Это целая цепочка тонких физических процессов, и каждый элемент в ней весом.
В вопросах, связанных с ответственными элементами авиадвигателей, отделение находится на передовых позициях и в отношении понимания процессов, и в отношении определения новых конфигураций для нового уровня скоростей, новых типов летательных аппаратов.

– Как в работе происходит взаимодействие специалистов в области газовой динамики и двигателистов?

– Между специалистами есть трудности взаимодействия. Нам кажется, что мы только и делаем, что «задеваем углы». Но главное – все идет вперед, работа движется.

– Трудно ли признавать чужую правоту?

– Невозможно. На этом держится наука.

– Бывают ли у Вас озарения, скажем, как у Ньютона?

– Вообще, бывают. Конечно, не как у Ньютона, но иногда действительно случаются озарения. Думаю, что прежде чем выразить закон тяготения в эксплицитной форме, Ньютон не раз наблюдал падающее яблоко. Несколько лет нужно заниматься каким-то вопросом, пока не придет простой ответ на него. Прежде чем в мыслях возникнет: «Эврика!», нужно долгое время держать в голове эту информацию и анализировать ее.

– На протяжении 35 лет Вы руководили отделением газовой динамики. Сложно ли совмещать научно-исследовательскую и административную, организаторскую работу?

– Судя по рассказам коллег, такое совмещение очень затруднительно. Но мне повезло, удавалось совмещать эти функции. Наверное, потому, что к тому времени во мне образовался значительный «заряд», я уже защитил докторскую диссертацию и был «начинен» определенным объемом научных интересов.
Газодинамические процессы, физические и химические явления всегда были на первом плане в тематике подразделения. «Струи» смыкались с акустикой. Электромагнитогазодинамика – это во многом физика.
Занималось наше подразделение еще и технологиями лазерного излучения. Позднее это выделилось в отдельное направление, но изначально было в русле наших работ. Сама специфика подразделения заставляла меня заниматься не только административной, но и научной работой.

– Как молодые специалисты отделения воспринимают своих старших коллег? Чему учатся у них?

– Они не учатся у нас ничему плохому (смеется). Все только во благо. Главное, им есть от чего отталкиваться.

– А как опытные научные сотрудники воспринимают идеи и предложения молодых специалистов?

– Мы говорим: молодцы. Дерзайте!

– Ваши напутствия молодежи.

Вместо ответа на вопрос Сергей Юрьевич достал из-под стекла рабочего стола листок с машинописным текстом. Под заголовком «Правила поведения для руководящих инженеров» был перечислен краткий свод нехитрых принципов.
Они появились еще в то время, когда выпускник Физтеха только начал работать в ЦИАМ. И с тех пор для него ничего не изменилось: «разрешать ежедневно возникающие трудности», «быть внимательным к чужому мнению, даже если оно неверно, к критике и предложениям», «не спорить по мелочам», «гордиться подчиненными, если они способнее тебя».