Русский космос Гении космических скоростей

LT: В чём сегодня заключается ценность работы ИТПМ СО РАН?

АЛЕКСАНДР ШИПЛЮК: ИТПМ СО РАН — это единственная в системе Министерства образования и науки РФ организация, владеющая комплексом аэродинамических труб и газодинамических установок для выполнения фундаментальных и прикладных исследований в области аэрогазодинамики и аэродинамики летательных аппаратов. Похожее оборудование есть в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), но его команда занимается промышленной аэродинамикой, то есть не столько наукой, сколько конкретными авиационными разработками. Хотя мы тоже помогаем нашим авиастроителям: вероятно, многие слышали про новый российский авиационный двигатель ПД‑14, разработанный и изготовленный в Перми — так вот мы, как, наверное, все профильные НИИ страны, участвовали в этом проекте — проводили лётные эксперименты на нашей аэродинамической базе. Кстати, сейчас уже разрабатывается ПД‑35 для широкофюзеляжных самолётов, и я думаю, что с его появлением Россия окончательно устранит техническое отставание от мировых лидеров авиационного двигателестроения.

Сотрудники Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН проводят фундаментальные исследования и сложнейшие расчёты для создания самых надёжных летательных аппаратов

С момента своего основания академиком С. А. Христиановичем ИТПМ СО РАН был ориентирован на решение самого широкого спектра задач. Так, мы занимаемся плазменными и лазерными технологиями, разрабатываем уникальные газодинамические лазерные комплексы и оборудование для холодного газодинамического напыления, которое сегодня используют в США, Японии, Южной Корее, Германии — каждый год мы подписываем всё новые договоры с зарубежными партнёрами.
Весьма востребованы в мировом авиастроении наши расчётные методы. Академик Н. Н. Яненко — основоположник вычислительной механики и конкретно аэродинамики, в ИТПМ СО РАН, начал создавать прикладные пакеты вычислительных программ. Ещё в 70‑е годы. Яненко воспитал целую плеяду талантливых учеников, среди которых шесть или семь академиков, был награждён Звездой Героя труда, и благодаря его школе наш институт отличается высочайшей экспертизой в сфере математического моделирования, создаёт софт для отечественной авиационной и аэрокосмической промышленности и вот уже 30 лет сотрудничает с американской корпорацией Boeing.
Возможно, вам знакомо имя профессора Юрия Семёновича Качанова — главного научного сотрудника ИТПМ СО РАН и создателя так называемой контролируемой турбулентности, который первым из российских учёных в 2008 году получил высшую награду Аэрокосмического общества Германии — Кольцо имени Людвига Прандтля. И хоть я перечислили далеко не всё, чем гордится наш Институт, как видите, мы богаты ценнейшими кадрами, которые рождают такие же ценные идеи.

Как вы удерживаете своих талантливых сотрудников в Сибири, учитывая, что у них наверняка есть много других предложений?

У людей, которые состоялись в научной среде Академгородка, как правило, и так всё благополучно — у них есть признание, собственные проекты, гранты, ученики и высокое качество жизни. Сложнее с молодёжью, которой, конечно, хочется как можно скорее увидеть реализацию своих идей в «железе», но ресурсов для этого бывает недостаточно. Поэтому мы особенно бережно работаем с молодыми сотрудниками в сложный период, пока они не наберутся опыта и не дорастут хотя бы до кандидатов наук, чтобы стать поближе к промышленности и получить доступ к решению реальных практических задач. ИТПМ СО РАН является партнёром кафедры аэрофизики и газовой динамики НГУ и кафедры аэрогидродинамики НГТУ. Эту кадровую цепочку начал выстраивать ещё академик Христианович, и с тех пор мы её сохраняем. Уже с конца второго курса, а иногда и раньше, мы устраиваем лучших студентов к себе, хотя бы на полставки, лучшим — дополнительно предоставляем стипендии от Института. Так молодёжь знакомится с научной работой, пользуется современным оборудованием, и у многих вырисовывается картина будущего, связанного с ИТПМ СО РАН.

Кстати об оборудовании: откуда берутся средства на регулярное обновление вашей уникальной технологической базы?

Поскольку ИТПМ СО РАН — это Институт первой категории, в которую, по классификации Минобрнауки, входят научные организации-лидеры, мы имеем право участвовать в программе обновления приборной базы, связанной с исполнением национального проекта «Наука». С 2018 года мы ежегодно получали в рамках этой программы по 44 миллиона на новое оборудование. Но если с этим более-менее вопрос решён, то актуальной остаётся другая проблема: жильё для молодых учёных. «Где мы будем жить?» — спрашивает себя каждый молодой человек, задумавшийся о создании семьи. И в этом направлении мы тоже прилагаем усилия. В частности, совместно с ИЯФ СО РАН, ИЦиГ СО РАН и ИК СО РАН мы создали некоммерческое партнёрство «Академжилстрой‑1» и построили на Проспекте Академика Коптюга жилмассив, где треть была выделена под коммерческое жильё с целью финансирования проекта, а две трети — под жильё молодым учёным. Сейчас подобные жилые комплексы — кстати, очень красивые и современные — строятся на улице Иванова, недалеко от Технопарка, и на Бульваре Молодёжи. Я считаю, это крайне важно, потому что создать такую школу, такую культуру, такую уникальную научную среду, которую сформировали отцы-основатели Академгородка — очень сложно. В 50‑х и 60‑х годах сюда приглашали отдельных учёных и целые научные команды со всей страны: только к нам ехали выпускники Московского авиационного, Харьковского авиационного, Казанского авиационного институтов, потому что здесь обещали работу, зарплату, квартиру — всё, только развивайся, приноси пользу стране.

Есть мнение, что эта система уже выработала свой ресурс — американцы сажают беспилотник на Марс, а мы…

Не надо впадать в крайности. В США финансирование подобных проектах гораздо больше, да и Маск — хороший пиарщик, но тут, как говорится, каждому своё. По мне так сейчас гораздо интереснее ближний космос, из которого, используя современные приборы и методы интеллектуальной обработки, можно наблюдать нашу Землю. Мы ведь ещё так мало о ней знаем! Как говорил легендарный геолог, академик Николай Леонтьевич Добрецов, который, к сожалению, ушёл из жизни в 2020‑м году, космос открывает нам совершенно новые возможности в изучении структуры Земли: именно сверху мы можем увидеть её на сотни километров вглубь, открывать новые месторождения воды, полезных ископаемых, геотермальной энергии. Колонизировать Марс полетит может быть, сотня-другая человек, а здесь останутся миллиарды, так что русский космос, как всегда, служит человеку.

Одним из основных направлений деятельности ИТПМ СО РАН является экспериментальная аэродинамика, то есть всё, что связано с полётом различных аппаратов — от дронов до пилотируемых космических кораблей — в атмосфере Земли и других планет. В тандеме с физическим экспериментом идёт эксперимент компьютерный: математическое моделирование — одна из сильнейших компетенций команды ИТПМ. Не будет преувеличением, если я скажу, что в ИТПМ СО РАН работают одни из сильнейших интеллектуалов страны.
Коллектив Института насчитывает более 500 сотрудников, из них один академик, три члена корреспондента СО РАН, 65 докторов наук. Создателем и первым директором ИТПМ СО РАН был соратник Лаврентьева Сергей Алексеевич Христианович. Выдающимся аэродинамиком, академиком Владимиром Васильевичем Струминским, который руководил институтом с 1966 по 1971 год, в ИТПМ СО РАН была создана уникальная аэродинамическая экспериментальная база, которая технологически совершенствуется по сей день. Она включает комплекс установок от дозвуковых до гиперзвуковых аэродинамических труб, в которых сотрудники Института проводят уникальные эксперименты, шагая в ногу со своими зарубежными коллегами. А порой и в чём-то их опережая. Так, установка АТ‑303 позволяет получить в эксперименте параметры, недостижимые для европейских лабораторий.
Сегодня основным нашим заказчиком в космических проектах является Ракетно-космическая корпорация «Энергия». ИТПМ активно работал с ней во времена СССР, но в начале 90‑х связи были разорваны — вся аэрокосмическая промышленность переживала глубокий кризис. С конца 90‑х совместные работы возобновились, в частности, в РКК «Энергия» было внедрено первое программное обеспечение для расчётов аэродинамики космических аппаратов, разработанное в ИТПМ. Постепенно отечественная космонавтика встала на крыло: появились новые проекты, государственное финансирование — и за решением самых сложных и интересных задач по аэродинамике РКК «Энергия» неизменно обращается в ИТПМ СО РАН.

Главный объект исследований в нашей лаборатории сегодня — пилотируемый космический корабль «Орёл» (вы также можете знать его под проектным названием «Федерация»), первый беспилотный полёт которого назначен на 2023 год.
Работа над заменой семейства космических пилотируемых кораблей «Союз» ведется давно. Все, конечно, помнят легендарный «Буран», который создавался как альтернатива американским шаттлам. Также в 80‑х велись работы над созданием многоразового транспортного корабля «Заря», но ввиду сокращения финансирования этот проект не получил развития. Впрочем, на «Зарю» отчасти ориентировались современные российские разработчики, создававшие космический корабль «Орёл». Сейчас это один из ключевых проектов в контексте создания Россией промышленной транспортной системы для освоения околоземного пространства, Луны и, возможно, Марса.
Всё это я рассказываю потому, что история отечественной аэрокосмической промышленности неразрывно связана с историей ИТПМ СО РАН. В 1957 году Институт изначально создавался для исследований в области транс- и сверхзвуковой аэродинамики, и это направление развивалось всегда, даже в тяжёлые 90‑е годы, когда руководство находило возможность для модернизации нашего аэродинамического комплекса. Наша сверхзвуковая труба Т‑313 самая большая к востоку от Урала — её длина 20 м. Кроме Т‑313 в комплекс входит добрый десяток установок для исследований динамической устойчивости летательных аппаратов. Это оборудование позволяет если не полностью воспроизвести лётный эксперимент, то, во всяком случае, приблизиться к его условиям.
Так, например, мои коллеги исследовали аэродинамические характеристики космического корабля «Орёл» во время его спуска с орбиты на Землю. За это время аппарат проходит очень большое количество разных режимов обтекания. Некоторые из них делают аппарат неустойчивым — он начинает сильно колебаться или сильно нагреваться. Любой недочёт в оценке аэротермодинамики космического корабля может стать фатальным: спейс-шаттл «Коламбия», например, разрушился именно при возвращении на Землю из-за разрушения теплозащитного слоя на плоскости крыла. Все семь членов экипажа тогда погибли. Чтобы обезопасить наших космонавтов, необходимо было детально исследовать аэродинамику аппарата. Для этого модель «Орла», оснащённая измерительным оборудованием, была помещена в установку Т‑313, где исследовалось как аэродинамические характеристики аппарата, так и характеристики аэродинамического демпфирования.
На другой исследовательской модели «Орла» мы исследовали условия его посадки. Особенностью этого комического корабля является то, что реактивные струи направлены вертикально вниз — с одной стороны, это обеспечивает мягкое приземление, но с другой — есть свои нюансы в работе двигателей, а также при воздействии струй на корпус корабля. Весь процесс посадки был отработан у нас на базе, и экспериментальные результаты были также использованы в дальнейшем для проверки компьютерных моделей.
В целом, эксперимент для учёного-аэродинамика — это всегда праздник: новые задачи, новые открытия. Как говорил мой отец-инженер, «наука нужна, чтобы самолёты летали». Когда, благодаря нашей работе, благополучно взлетают и приземляются самолёты и космические корабли — это вдохновляет. 

Не хотелось бы, чтобы меня запомнили как «утопителя» орбитальной станции «Мир», но, видимо, придётся рассказать об этой исторической задаче, которая отчасти решалась и в нашем Институте. (Улыбается.) Чтобы направить «Мир» в нужную точку Тихого океана, нужно было сообщить станции «правильный» тормозной импульс, а также обеспечить максимальное аэродинамическое сопротивление и минимальный возмущающий момент, иначе станцию могло закрутить. Осложняли положение сильно разветвлённая за счёт солнечных батарей конструкция станции и её стотонный вес — получалось, что нужно перебрать несколько миллиардов вариантов положения модулей, чтобы найти оптимальную конфигурацию для спуска в океан. В нашей лаборатории была разработана методика, которая позволила сделать это в заданные сроки. Мы выяснили, как нужно развернуть солнечные батареи, чтобы поступательно затормозить «Мир» и стабилизировать его положение в атмосфере.
Гибридный вычислительный кластер Aero, на котором мы сейчас проводим свои расчеты, состоит из одного управляющего и шести вычислительных узлов. Каждый вычислительный узел оснащён двумя 20‑ядерными центральными процессорами, двумя графическими процессорами и имеет 256 ГБ оперативной памяти. Суммарная пиковая производительность кластера составляет 84 терафлопса, то есть теоретически способен выполнять 84 триллиона вычислительных операций в секунду — с задачей, которую на обычном офисном компьютер придётся решать год, вычислительный кластер позволит справиться за сутки-двое.
Подобные компьютеры предназначены для решения в прямом смысле космических задач — на нашем Aero мы проводим расчёты для Ракетно-космической корпорации «Энергия». Так, для того, чтобы полностью исследовать аэродинамику пилотируемого космического корабля «Орёл» при спуске, необходимо было провести более трёх сотен расчётов в изменяемых условиях — скорость, давление, угол атаки и так далее. Обычно инженер-конструктор космического корабля уделяет расчётам аэродинамических характеристик в среднем 2% времени — всё-таки в основном его внимание сосредоточено на конструкции летательного аппарата. Но сегодня экономика проектов имеет очень большое значение. Если, усовершенствовав аэродинамику корабля, можно сэкономить, скажем, на прочности и теплозащите, перераспределив ресурсы в пользу других важных функций — нужно это сделать! О безопасности космонавтов я даже не говорю: любая ошибка в расчётах может обернуться трагедией. Поэтому за высокоточными, затратными расчётами разработчики аэрокосмической техники обращаются к нам, тем более, что разработанные нами методы могут применятся для определения аэродинамических характеристик и других спускаемых аппаратов.
Ещё одна интереснейшая задача, над которой мы работаем — моделирование истечения реактивных струй из двигателей космического аппарата. На любом космическом аппарате стоят реактивные двигатели, которые его стабилизируют, корректируют орбиту и так далее. Когда они включаются, из них под большим давлением вылетает топливо, которое в условиях вакуума частично разворачивается и попадает на сам аппарат. Если на аппарате стоит чувствительная аппаратура — например, телескоп — то при загрязнении она может потерять свои свойства. Также во время стыковки космических кораблей с МКС газ, выбрасываемый во время манёвров, попадает на поверхность станции, а потом — и на руки космонавтов, которые выходят работать в открытый космос. На перчатках космонавтов остатки токсичного топлива попадают внутрь станции, а это небезопасно для экипажа. Работы над нейтрализацией негативного воздействия этого выхлопа ведутся во всём мире. Это сложнейшая задача, которую математикам приходится решать, учитывая контраст между запредельным давлением в самом двигателе и почти полным отсутствием давления в вакууме, куда истекает реактивная струя. Но когда у тебя за плечами факультет летательных аппаратов НГТУ и 30 лет решения расчётных задач в Институте, который включён в самые актуальные научно-исследовательские и производственные процессы — ничего невозможного нет. (Улыбается.)