Яндекс.Метрика

Люди практической науки

29.08.2016

Без борьбы нет победы

О работе отделения 600 «Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и в элементах реактивных двигателей» ФГУП «ЦИАМ» рассказывает начальник этого подразделения, профессор, доктор физико-математических наук Александр Михайлович Старик.

Расскажите, пожалуйста, о специфике работы Вашего отделения. Почему это направление считается отдельным, с одной стороны, от прочих теоретических работ по газовой динамике в Институте, а с другой стороны – от практических исследований по камерам сгорания?

Мы занимаемся физико-химической кинетикой и физикой неравновесных процессов. Это совершенно отдельное направление от газовой динамики. Если вы возьмете курс теоретической физики Ландау и Лифшица, то, наряду с томом «Гидродинамика», найдете отдельный том ‒ «Физическая кинетика». Физико-химическая кинетика и физика неравновесных процессов – это очень широкое направление. Действительно, без этой науки нет ни физики плазмы, ни физики и химии атмосферы, ни фотохимии, ни физики и химии горения, ни физики и химии высокоскоростных потоков, ни физики ударных волн, ни физики образования наноструктур, ни физики газового разряда, ни физики лазеров. Газовая динамика – это макроскопическое описание процессов, а что происходит внутри, на молекулярном уровне, она не исследует. Однако сегодня уже нельзя рассматривать, например, процесс горения без учета процессов взаимодействия молекул, приводящих к их химической трансформации. В последние годы появляются новые разделы, которые лежат на границе различных отраслей науки, например, физико-химическая гидродинамика, которая объединяет и газовую динамику, и физико-химическую кинетику. То же можно сказать и о современной трактовке физики ударных волн.
Что касается камер сгорания, то это конкретные устройства и исследование происходящих в нем процессов – это достаточно узкое направление в сравнении с тем, чем занимаемся мы в отделении 600, хотя, конечно, те методы и кинетические модели, которые разрабатываются в нашем отделении, используются при моделировании и диагностике процессов горения в камерах сгорания авиационных двигателей, как, впрочем, и двигателей других транспортных систем и энергетических установок. Наше отделение занимается как фундаментальными, так и прикладными аспектами, исследования ведутся, как правило, в пограничных областях и являются комплексными. Результаты этих исследований применимы во многих областях науки и техники. Ведь горение можно встретить в самых разных приложениях: это не только реактивные двигатели, но и двигатели внутреннего сгорания, горение металлов или комбинированных твердых и жидких топлив в двигателях, пожары, и, наконец, переработка промышленных и бытовых отходов. Так, например, метан или природный газ горит в металлургических печах, а мы можем помочь уменьшить его расход. В принципе речь идет не только о горении, но и о любых химико-технологических процессах. У нас, к примеру, есть патент на реформинг низкосортных топлив методом частичного окисления в воздухе: подмешиваем пары воды, делаем специальный разряд и на выходе получаем Н2+СО – синтез-газ, очень «модное» сейчас и достаточно экологически чистое горючее. У нас есть, к примеру, проект по расчету входа космического зонда в атмосферы Марса, Юпитера и Титана. Там тоже не обойтись без физико-химической кинетики. Эта наука применима и в биофизике. Недавно в одном из ведущих международных журналов – «Physical Chemistry Chemical Physics» – мы опубликовали статью по реакциям с возбужденными молекулами кислорода, с так называемым синглетным кислородом, и к нам стали поступать приглашения выступить с лекциями на медицинских форумах. Возбужденный кислород играет важную роль в клетках. Его используют, к примеру, в лечении различных заболеваний.
Хотя это наука и молодая (буквально 50 лет назад ее еще не было), но стремительно развивающаяся.

Но разве не из прикладных задач по созданию гражданских авиадвигателей это направление выросло в ЦИАМ?

Нет. Все началось с работ по мощным газодинамическим и электроразрядным лазерам. Я выпускник Физического факультета МГУ, и в средине 70-х годов я пришел в ЦИАМ, чтобы заниматься такими лазерами. В отделении 700 «Газовая динамика» был создан отдел, который возглавлял Вячеслав Михайлович Хайлов. Мы создали модели процессов, которые протекают в газодинамических, электроразрядных и в химических лазерах, рассмотрели, как мощное резонансное лазерное излучение взаимодействует с молекулами и какие нелинейные эффекты при этом возникают. Но в 90-е годы финансирование этой тематики прекратилось. Надо было искать актуальные области приложения компетенций сложившегося коллектива. Таким направлением стало исследование процессов горения, формирования экологически опасных соединений, влияния авиации и реактивной техники на атмосферные процессы. Это было очень важное направление, в том числе и потому что за такие исследования охотно платили деньги зарубежные партнеры и у нас появились зарубежные проекты и гранты.

Потом начали развиваться другие направления. Мы стали заниматься процессами горения и привнесли туда много нового. Лазерная физика работает с возбужденными молекулами, и мы предложили в середине 90-х годов новый метод управления химическими процессами. Подход состоял в том, чтобы возбуждать реагирующие молекулы либо в колебательные, либо в электронные состояния. Такие молекулы намного быстрее вступают в химическую реакцию. Это направление – использование возбуждения молекул для управления химическими реакциями – мы стали развивать первыми в мире. О его актуальности говорит тот факт, что сейчас подобными исследованиями занимаются 9 лабораторий в США, 3 во Франции, 2 в Германии, есть лаборатории в Китае, в Японии и даже в Корее. Но первыми были мы.

В 2009 году наш сектор выделился из отделения 700 и превратился в самостоятельное отделение. Инициатором его создания был Владимир Алексеевич Скибин, бывший в то время генеральным директором ЦИАМ им. П.И. Баранова. Определенную роль сыграло и то, что мы сумели создать свою физическую лабораторию, для работы в которой пригласили лучших в России специалистов по оптической спектроскопии – ученых с мировым именем из Института Общей Физики им. А.М. Прохорова Российской Академии Наук. Хочу отметить, что руководство ЦИАМ в лице Владимира Алексеевича Скибина и Валентина Ивановича Солонина оказывало постоянную поддержку в создании и оснащении этой лаборатории современными системами диагностики неравновесных реагирующих потоков. Теперь, когда к нам приезжают зарубежные гости, а у нас очень широкие контакты, то они признают, что у нас в ЦИАМ одна из лучших лабораторий в Европе. 

Можете привести примеры актуальных экспериментальных работ Вашей лаборатории?

В 2015 году у нас вышла статья в международном высокорейтинговом журнале «Combustion and Flame», это один из ведущих журналов по горению. Мы сжигали керосин с добавками наночастиц алюминия. Использовать их в качестве топлива мы предложили, кстати говоря, также одними из первых в мире. Оказалось, что при добавлении всего 2,5% частиц наноалюминия в керосин на одном и том же расстоянии от фронта горелки температура реализуется на 300 градусов выше по сравнению с чистым керосином.

Есть уникальные работы, связанные с влиянием возбужденных молекул и, в частности, электронно-возбужденных молекул кислорода на процессы окисления и горения, которые были опубликованы в международных высокорейтинговых журналах. Наша наука, физико-химическая кинетика и физика неравновесных процессов развивается бурными темпами, ей в мире посвящено очень много изданий и конференций. Мы, кстати, тоже проводим такие международные конференции. Очередная пройдет в октябре, и на ней будет представлено наше новое исследование по влиянию на процессы воспламенения и горения активации молекул кислорода резонансным лазерным излучением и электрическим разрядом. Это очень перспективное направление, у истоков которого тоже стоит наше отделение. Основное состояние кислорода, которым мы дышим, – триплетное, а мы возбуждаем кислород в синглетное состояние, которое выше по энергии. Это можно сделать специальным разрядом. Если произвести всего 2% синглетного кислорода, то его смесь с водородом или с углеводородами горит намного быстрее, чем обычный водород или углеводороды с кислородом. Первые результаты теоретических исследований по влиянию возбужденных молекул на процессы горения мы опубликовали в 1994 году, а экспериментальные – в 2008 году. Работа наших западных коллег, которые воспроизвели этот эксперимент, вышла существенно позже.

Много интересных работ в нашем отделении проводится, например, с перспективными системами зажигания для высотного запуска. Мы проводим фотодиссоциацию молекул кислорода лазерным излучением, и смесь топлива с воздухом воспламеняется при очень низких температурах и давлениях. Другими способам это практически сделать невозможно. По сравнению с этой технологией плазменное зажигание – вчерашний день. В этом случае вы просто нагреваете газ. В нашем случае энергия вкладывается во внутренние степени свободы. Мы не нагреваем газ. Мы формируем активные частицы. На это расходуется в десятки раз меньше энергии.

Расскажите в целом о перспективных направлениях работы отделения.

Чем отличается наше отделение? У нас проводится весь цикл исследований по избранному направлению. Таких коллективов больше в мире нет. Мы проводим теоретические исследования на молекулярном и даже на элементарном уровне, вплоть до квантово-механического анализа. Дальше мы строим реакционные механизмы, например, рассматриваем как алюминий вступает в реакцию с водой. Потом проводим численное моделирование процессов и подтверждаем наши расчеты экспериментом. Именно этот комплекс позволяет нам получать результаты с уровнем «впервые в мире».

К примеру, недавно появилась новая тематика – физика кластеров. Если наночастицы – это объекты с размерами 10–100 нм, то кластеры – это объекты с размерами 1 нм и даже меньше. Это образование, состоящее из нескольких атомов. И свойства их определяются с использованием методов квантовой механики. Мы теоретически исследовали различные аспекты физики и химии кластеров и оказалось, что свойства некоторых кластеров уникальны. Они могут применяться и как конструкционные материалы, потому что у них очень большая прочность, и в электронике, поскольку у них может быть большой дипольный момент и поляризуемость. А еще их можно использовать как компоненты топлива. Оказалось, что некоторые кластеры обладают значительным запасом химической энергии, заметно большим, чем у обычных топлив. Если добавлять в керосин, например, такие кластеры, как AlC5, то можно значительно увеличить удельный импульс двигателя.

Эти свойства кластеров наше отделение открыло «на кончике пера» буквально в последние 2–3 года, и мы опять же первыми в мире заговорили о применении кластеров как топлив. Работа на эту тему была опубликована в журнале шведской королевской академии наук «Physica Scripta». Мы смотрим, как кластеры реагируют с молекулами О2, Н2О и даже СО2. При использовании Al-содержащих кластеров можно решить проблему утилизации СО2 и при этом еще и получать энергию. Алюминиевые кластеры горят с водой с конечной температурой 3000 К, и при этом выделяется водород, экологически чистое топливо. Эта тематика получила название алюмоэнергетика. Ведь алюминий – это третий по распространенности элемент в земной коре после кремния и углерода.

Вы часто упоминаете о публикациях работ Вашего отделения в международных журналах. Насколько это важно?

Наука в некотором смысле сродни спорту. Можно назначить человека министром, а вот мастером спорта назначить нельзя. Если не проплывете 50 м кролем за 24 с, то хоть удавитесь, а мастером спорта вы не станете. Так и в науке. Но здесь тоже должны быть свои критерии и в некотором смысле «нормативы», и они должны быть объективными. Если твои труды не публикуются в ведущих международных научных изданиях и не цитируются другими исследователями, значит ты не ученый. Я не очень хорошо отношусь к деятельности нашего министерства образования и науки, но оценка труда научных сотрудников, которая сейчас вводится, – это правильно. Если вы не публикуетесь в международных журналах и ваши работы не цитируют другие исследователи, то вам не дают финансирования из Российского научного фонда (РНФ) или Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Сотрудники нашего отделения публикуют свои работы в международных журналах с большим фактором влияния и индексом цитируемости, и наше отделение имеет больше всех грантов от РФФИ в Институте. К тому же, мы единственные в Институте, чьи исследования поддержаны грантами РНФ, в котором критерии отбора еще более строгие. Кроме того, у нас есть научная школа, поддержанная грантом Президента России. Также мы работаем и с Фондом перспективных исследований.

Научная школа «Физико-химические процессы формирования экологически опасных соединений в элементах реактивных двигателей и энергетических установок», которой руководите Вы и академик О.Н. Фаворский, с 2003 года получает гранты Президента Российской Федерации. Расскажите о ней.

Школа зародилась как раз из исследований влияния авиации на атмосферу, которыми мы занялись в 90-е годы. Это сложнейшие процессы, разобраться в которых непросто. Ведь угрозу несут не только вредные вещества, вроде сажи, СО2 и NO, но и сульфатные и органические аэрозоли, которые формируются в струе двигателей. Они очень плохо влияют на экологию у поверхности Земли непосредственно в виде кислотных дождей, но, кроме того, нарушают радиационный баланс атмосферы, что в свою очередь влияет на климат. Это многофакторный процесс, в котором многое еще не понято.

Но мы не только изучаем процессы формирования экологически опасных соединений, но и предлагаем новые методы снижения эмиссии вредных веществ, в том числе и в двигателях различных транспортных систем. Например, при стехиометрическом соотношении компонентов в камере сгорания на фронте пламени реализуется очень высокая температура – примерно 2400 К, что приводит к образованию большого количества NO. А если сжигать обедненную топливом смесь, то температура фронта пламени снижается. Например, при коэффициенте избытка воздуха 2 температура падает до 2000 К, и NO образуется существенно меньше. Этот метод был предложен американцами еще в 70-е годы, и он долгое время считался основным направлением разработки малоэмиссионных камер сгорания. Чем меньше температура, тем меньше эмиссия. Но до какого уровня мы можем уменьшать температуру? Если вообще ничего не сжигать, то и вредных продуктов не будет. Но не будет и тяги двигателя. Поэтому сейчас приходят к выводу, что этот метод себя исчерпал. Мы предложили совершенно другую технологию: не уменьшать температуру, а управлять химическими процессами с помощью возбужденных молекул, и показали, что при помощи того же синглетного кислорода на выходе из камеры сгорания можно уменьшить вредные выбросы в несколько раз, не меняя сам процесс горения. Вот этими вопросами школа и занимается: какие механизмы приводят к образованию экологически опасных соединений и как с ними бороться.

В список лучших изобретений России 2015 года вошли сразу две ваши совместные с П.С. Кулешовым и А.М. Савельевым работы, связанные с форсированием авиационных двигателей. Расскажите о них.

Как сейчас происходит форсирование авиационных реактивных двигателей? В основной камере сгорания горит обедненная топливом топливовоздушная смесь, т.е. есть избыток окислителя, и несгоревший кислород на выходе из камеры сгорания можно использовать, если в форсажной камере подмешать к продуктам сгорания дополнительное топливо. Но в перспективе все идет к тому, что в основных камерах сгорания будет использоваться стехиометрическая смесь и избытка кислорода на выходе из основной камеры сгорания не будет. Как форсировать двигатель в этом случае? Как я уже говорил, для наночастиц алюминия очень хорошим окислителем является СО2 и Н2О, которые есть в продуктах сгорания, и если ввести в форсажную камеру наночастицы алюминия, то, реагируя с СО2 и Н2O, будет выделяться тепло, что приведет к получению дополнительной тяги.

Второе изобретение связано с гиперзвуковым двигателем по проекту HEXAFLY - INT. Как форсировать такой двигатель? В качестве топлива в нем горит водород, а в результате получается вода ‒ отличный окислитель для наночастиц алюминия с конечной температурой горения 3500 К. Идея та же: использовать топливо, которое может гореть в продуктах сгорания, которые в данном случае являются окислителем.

Здесь, кстати, можно вместо наночастиц алюминия применять кластеры. Мы, когда это изобретение предложили, еще не знали, что кластеры хорошо горят. У гиперзвукового двигателя есть ахиллесова пята. При большой скорости полета на входе в камеру сгорания реализуется очень высокая температура воздуха – до 2500 К, под воздействием которой начинается диссоциация топлива. Оно не горит, а разлагается с поглощением энергии, и никакой тяги не получается. То есть выше числа Маха М=14 при использовании традиционных топлив разогнаться невозможно. А кластеры AlC5 при горении в кислороде дают температуру 5500 К, что гораздо выше, чем температура Т=2700-2900 К, реализующаяся при горении водорода в воздухе.

Вы автор 80 изобретений. Можете выделить какое-то одно наиболее интересное и значимое?

Трудно выделить что-то одно, потому что в каждое изобретение вкладываешь частичку себя. Я могу описать еще одно новое изобретение, зарегистрированное в 2015 году. Это патент на новый плазменный двигатель. Обычный плазменный двигатель – это разряд в какой-то среде. В плазме образуются заряженные ионы, которые разгоняются электромагнитным полем до достаточно большой скорости – 800–1000 км/с – и создают тягу. Для сравнения: при истечении струи продуктов сгорания в ЖРД достигается скорость максимум 3,5 км/с. Но ионов немного, они легкие и тяга получается маленькая. Мы предложили использовать кластерную плазму, которая образуется при сгорании металлов. Один из вариантов – горение алюминия в воде или, еще лучше, в перекиси водорода, что дает температуру 4000 К. Это уже настоящая плазма. А если сжигаем кластеры AlC5, то температура продуктов сгорания вообще поднимается до 5500 К. Но главное, что в этом случае у нас в продуктах сгорания образуются не только ионы и электроны, но и жидкие частицы Al2О3. Они обладают в тысячи раз большей массой, чем ионы, а за счет прилипания ионов заряжаются не до одного элементарного заряда, а до 10 и даже до 100. Поскольку у нас заряд частиц не 1 элементарный заряд, а 10–100, то кулоновская сила при одной и той же напряженности электрического поля будет больше, чем для одного иона. При этом частицы тяжелее, их образуется много, что позволяет создать не только высокую скорость истечения, но и большую тягу – десятки килограмм, в сотни раз больше, чем в современных ионных двигателях.

До какого уровня готовности технологий вы доводите Ваши идеи?

Существует разделение между прикладной и фундаментальной наукой. Фундаментальная наука отвечает всего на два вопроса: как устроен мир и что будет, если. И мы, конечно, больше занимаемся фундаментальной наукой. Мы говорим: природа устроена таким-то образом ‒ используйте это.

Прикладная наука занимается конкретными процессами в установках. Это тоже важно. Мы тоже занимаемся изучением и моделированием процессов в гражданских реактивных двигателях и в энергоустановках. Например, мы предсказываем эмиссионные характеристики камер сгорания, и делаем это точнее, чем другие, потому что у нас есть соответствующее, на молекулярном уровне, понимание сложнейших процессов, которые там проходят. Ведь когда керосин горит в воздухе, то процессы горения и формирования экологически опасных соединений определяются протеканием нескольких тысяч элементарных реакций. Мы исследуем, как гражданская авиация влияет на климат. Это тоже, в принципе, прикладная задача.

То есть от прикладных работ мы не уклоняемся. Другой вопрос, что у нас в отделении нет больших экспериментальных установок, где можно проводить исследования в условиях, близких к тем, что возникают в промышленных образцах. Я постоянно пишу докладные записки о необходимости создания таких установок с современными системами диагностики физико-химических процессов. У нас в институте есть для них место. И стоит это не очень дорого. В мире пока о наших ионных двигателях не знают, а с возбуждением молекул лазерным излучением или электрическим разрядом мы уже отстаем в технологическом смысле, хотя мы все это придумали. Сейчас возникает такая же ситуация и с кластерами в качестве топлива. Практически мы одними из первых предложили их использовать как компоненты твердых и жидких топлив. Надо бы эту идею реализовывать здесь, в России. Но система у нас очень неповоротливая.

Но в целом насколько близки эти технологии к реальному внедрению в приложении к авиационным двигателям?

Все идеи до момента практической реализации должны пройти определенные этапы. Первая атомная электростанция заработала в 1954 году, хотя нейтроны, инициирующие цепную ядерную реакцию, были открыты еще в 1920-х годах. Или, к примеру, идея детонационного двигателя. Она была предложена Я.Б. Зельдовичем в 1943 году, когда была опубликована его статья в журнале «Техническая физика». Прошло 70 лет, на стендах такие двигатели уже работают, но до практического их применения еще далеко. Мы, кстати, единственные в мире, кто рассчитал эмиссионные характеристики для такого двигателя. Оказалось, что в этом отношении они сильно проигрывают обычным газотурбинным двигателям и в гражданской авиации, по-видимому, в ближайшие годы применяться не будут. Надо решить много достаточно сложных вопросов. У нас в отделении этим занимается сильный коллектив, который возглавляет заместитель начальника отделения В.И. Копчёнов. При этом рассматриваются оригинальные идеи подавления эмиссии СО в камерах сгорания с квазинепрерывной вращающейся детонационной волной путем возбуждения определенных молекул.

Мы выдвинули идею об управлении горением путем возбуждения молекул в середине 90-х годов. Прошло 20 лет, а вы хотите, чтобы двигатель уже заработал? Мы создали теорию и подтвердили ее экспериментами. Сейчас весь мир этим начал заниматься. Теперь нужно провести оптимизацию, чтобы при как можно меньших затратах энергии получить наибольший эффект. Для этого сначала нужно провести численное моделирование камеры сгорания с таким эффектом. Пока этого сделать никто не может из-за сложности возникающих процессов и отсутствия моделей предсказательного уровня. Нам, к примеру, не хватает вычислительных ресурсов. Нужен суперкомпьютер. В ЦИАМ такого суперкомпьютера нет. У нас есть свой вычислительный кластер, мы его делали 7 лет назад, но сейчас он уже, конечно, не впечатляет своими возможностями. Затем мы должны сделать экспериментальные установки, имитирующие все те условия, которые есть в реальном реактивном двигателе. Я хочу, чтобы они были сделаны. У нас есть место для них. Но надо вложить деньги. И после этого надо 3-5 лет проводить исследования и анализировать полученные результаты. Только после этого можно уже говорить о переносе технологии на опытный образец.

Расскажите в целом о перспективах физико-химической кинетики как фундаментальной науки?

Наша наука – физико-химическая кинетика и физика неравновесных процессов развивается стремительными темпами. Мы все время уходим на более глубокий уровень понимания проблемы. От наночастиц перешли к кластерам, когда начинают реагировать несколько атомов. А что если уйти на субатомный уровень? Сейчас мы говорим о химических процессах: возбуждаем молекулы, и они начинают реагировать, но ведь можно возбуждать и другие объекты, например, кластеры или ядра атомов. Или возьмем биологию. На клеточном уровне идет обмен молекулами. Давайте будем возбуждать определенные молекулы, чтобы они в эти клетки входили и там проделывали определенную работу. Благодаря этому лекарство можно доставлять точно до той самой клетки, «которую необходимо вылечить». Мы можем проводить такое селективное возбуждение. Кластеры, кстати, тоже можно вводить в клетки.

Сколько человек работает в отделении? Как готовите кадры? Много ли молодежи?

Сейчас в отделении работает 40 человек. Это немного, но пригласить неоткуда. Кадры мы выращиваем сами, потому что готовых специалистов такого направления и нужного нам уровня найти невозможно. Мы придерживаемся принципа лучше меньше, да лучше. Наши специалисты преподают в Физтехе. Я сам профессор Физтеха. Берем самых талантливых молодых людей, и молодежи у нас достаточно много. Мы ими довольны, и они довольны работой у нас. У нас интересные задачи, да и достойную оплату стараемся поддерживать грантами.

А ребята у нас очень способные. Я много бываю в других странах и могу сказать, что у нас в России народ очень талантливый и работоспособный. Это не правда, что мы ленивые. Впервые за границу я попал в 1992 году. Меня, тогда еще молодого доктора наук, пригласили работать на три месяца в Международный центр теоретической физики в Триесте. Условия там, конечно, прекрасные. Гостиница на берегу Адриатического моря, причем уже тогда в ней был доступ ко всем библиотекам и компьютеру. Можно работать даже ночью в специальном зале. При этом сами итальянцы трудились так: в полдесятого утра у них начинался рабочий день, а в полдвенадцатого – уже сиеста, после которой они возвращались на работу часа в два, в три они пили кофе в баре, а в пять ‒ в полшестого разъезжались по домам. Работали же в основном аспиранты и студенты из других стран. Мы в отделении работаем с полной отдачей, и рабочий день у ученых ненормированный. Работа продолжается часто и вне стен ЦИАМ. Своим молодым сотрудникам я говорю: «Работать надо еще лучше и без борьбы нет победы». Будем работать и бороться!